鈦、氧空位對P型摻雜TiO2鐵磁性影響的研究

《鈦、氧空位對P型摻雜TiO2鐵磁性影響的研究》是依託浙江海洋大學，由王紅霞擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鈦、氧空位對P型摻雜TiO2鐵磁性影響的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王紅霞
• 依託單位：浙江海洋大學

項目摘要

最近對氧化物鐵磁半導體的研究表明，P型摻雜（包括陽離子替代和陰離子替代）的氧化物半導體可以產生磁性實驗和理論計算結果是一致的；但本徵缺陷，如陽離子空位和陰離子空位，哪一種可以加強鐵磁性，在理論計算和實驗中是存在分歧的。實驗結果表明氧空位可以加強稀磁半導體的鐵磁性、甚至是未摻雜氧化物半導體鐵磁性的來源；而未摻雜的氧化物半導體的理論計算表明，氧空位並不能產生磁性，而陽離子空位可以產生磁性雖然其具有較高的缺陷形成能。最近對N摻雜TiO2薄膜的實驗表明，鐵磁性的強弱並不依賴於氧空位的多少，而是依賴於摻雜導致的帶隙的減小。鑒於此，本項目將通過第一性原理計算的方法研究氧空位對由鈦空位產生的P型TiO2鐵磁性的影響；研究鈦空位和氧空位對P型陰離子替代摻雜的TiO2鐵磁性的影響。本項目的研究將給出本徵缺陷對上述兩種d0鐵磁性半導體的鐵磁性的影響機制，並指導實驗在加強氧化物半導體的鐵磁性方面的研究工作。

結題摘要

2006年，Hong等人在未摻雜TiO2薄膜中發現了室溫鐵磁性，並且發現在氧氣中燒結樣品會大大減弱磁性。接下來室溫鐵磁性在未摻雜TiO2薄膜、單晶、體粉末和納米帶中被相繼發現，在這些實驗中類似的現象被發現。同時，Santara等人注意到前體TiO2粉末沒有顯示出任何鐵磁性的跡象，儘管其中有大量濃度的氧空位存在。基於第一性原理計算，一些結果表明在金紅石和銳鈦礦TiO2中氧空位都不產生淨磁矩，鈦空位和鈦雙空位可能是產生鐵磁性的原因；但也有結果顯示氧空位可以在金紅石和銳鈦礦TiO2中引起磁性。這些進一步加劇了這個爭論關於氧空位還是鈦空位貢獻的室溫鐵磁性。同時這也給我們靈感設定一個假設：一種缺陷產生局域磁矩，而另一種缺陷調製長程鐵磁有序。室溫鐵磁性應該是由多缺陷引起的。問題應該是在未摻雜TiO2中氧空位和鈦空位的作用分別是什麼。 TiO2有兩個重要的相：金紅石和銳鈦礦結構。我們分別進行了研究。我們計算了在未摻雜金紅石TiO2中單個VO、單個VTi、特別是VTi和VO共存時的電子結構和磁性質。我們的計算表明VTi和VO都可以在TiO2中產生局域磁矩。但是僅僅VO在TiO2中並不能引起室溫鐵磁性因為VO之間的鐵磁交換作用比較弱。VTi之間的鐵磁耦合比VO之間的鐵磁耦合強大約四倍，更重要地，加入氧空位之後，VTi之間的鐵磁耦合進一步加強了。結合得到的態密度和自旋密度分布，結果表明VO引入的電子調製了兩個分離的VTi之間的長程鐵磁耦合。對未摻雜銳鈦礦結構的TiO2也進行了計算，計算結果中雖然具體數據有所不同，但得到的結論是類似的。此結果驗證了單獨VO的存在並不能在TiO2中引入室溫鐵磁性，但VO可以提高鐵磁有序，這跟實驗結果很好的相符。更進一步地，此結果給出了未摻雜TiO2及其他未摻雜氧化物半導體鐵磁性的可能來源：陽離子空位產生局域磁矩，而氧空位引入的電子調製陽離子自旋之間的長程鐵磁交換作用。 N摻雜TiO2和TiO的計算結果表明：N摻雜TiO是非磁性的，因為N摻雜並沒有在費米面處引入自旋劈裂的雜質態。N摻雜TiO2、過渡金屬摻雜TiO是有磁性的，因為摻雜在費米面處引入了自旋劈裂的雜質態。過渡金屬摻雜的TiO的磁矩由過渡金屬的3d4s電子組態及它們的價態有關。此結果表明N摻雜TiO2的鐵磁性來源並非與氧化物半導體的帶隙緊密相關，關鍵是摻雜或缺陷是否在費米面處引入自旋劈裂的雜質態。