《氘氘中子輻照單晶二氧化鈦的d0磁性研究》是依託蘭州大學，由李公平擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：氘氘中子輻照單晶二氧化鈦的d0磁性研究
- 依託單位：蘭州大學
- 項目負責人：李公平
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
自旋電子學器件在高密度存儲器、自旋發光二極體、自旋極化場效應管、光隔離器、量子計算機等領域具有廣闊的套用前景。然而由於受到對材料磁性來源認識不明的限制，自旋電子學器件的研究進展較為緩慢。寬禁帶半導體材料TiO2因具有突出的電學與光學性質，在未摻雜狀態下又會表現出d0磁性，是一種開發潛力巨大的新型半導體材料。目前對d0磁性的認識尚存在爭議，開展對TiO2室溫鐵磁性的研究對揭示d0磁性規律，探索d0磁性的來源具有重要意義。在充分分析國內外技術路線並結合本小組前期工作的基礎上，我們小組擬採用氘氘中子輻照單晶TiO2產生缺陷的方式，探索缺陷對單晶TiO2微結構、光學、電學及磁學性能的影響，希望澄清非摻雜狀態下TiO2樣品d0磁性起源機制這一國際前沿問題，為TiO2材料在自旋電子學器件的研發奠定工作基礎。
結題摘要
TiO2是一種新型的第三代寬禁帶半導體材料，目前對TiO2等稀磁半導體材料室溫鐵磁性的來源認識尚存在爭議。因此系統地開展TiO2室溫鐵磁性的研究，對闡明稀磁半導體的磁性來源，揭示室溫鐵磁性的產生機制有重要意義。本項目通過D-D中子及γ射線輻照單晶TiO2和ZnO，研究本徵缺陷對樣品微結構和磁光性能的影響。理論上，課題組採用第一性原理方法研究不同本徵缺陷對TiO2磁光特性及微結構的影響。當TiO2體系包含氧空位(VO)和鈦間隙(Tii)時，缺陷周圍O 2p與Ti 3d軌道雜化引起體系自旋極化，鈦空位(VTi)在體系態密度價帶頂形成不對稱空態。包含VO、Tii、VTi缺陷晶胞的基態均傾向於鐵磁耦合，居里溫度高於室溫。為對比研究TiO2，課題組計算了本徵缺陷對ZnO磁光性能及微結構的影響，結果表明，鋅空位(VZn)、3個氧空位團(3VO)以及鋅氧雙空位(VZnO)缺陷會引入磁矩，其餘本徵缺陷很難引入磁矩。此外，利用蒙特卡羅方法計算了引起Ti原子離位形成缺陷所需的γ射線能量至少為2.4MeV，O原子所需的能量至少為1.1MeV。實驗上，小組通過D-D中子及γ射線輻照單晶金紅石TiO2和ZnO的方法，分別研究不同本徵缺陷對單晶TiO2和ZnO磁光特性的影響。用D-D中子輻照TiO2調節缺陷的濃度和類型，輻照後，VO、VTi濃度增加導致飽和磁化強度(Ms)增大；隨著中子輻照注量的增加，樣品中的缺陷類型發生變化，Ms隨之變化。D-D中子輻照TiO2的室溫鐵磁性是由VO、VTi和F+引起的。此外，結合前述理論計算O原子離位所需的γ射線能量結果，通過60Co源輻照單晶TiO2，單獨研究VO對TiO2結構和磁光性能的影響，結果表明，VO可以在TiO2中引入室溫鐵磁性，其Ms存在最大值。為對比研究，採用D-D中子輻照單晶ZnO，輻照後Ms發生變化，結合理論計算結果，室溫鐵磁性由VZn引起。本項目的研究為TiO2基稀磁半導體材料的磁性來源奠定了一定的基礎。
