Co离子注入TiO2薄膜的显微结构和磁性研究

丁芃; 刘发民; 杨新安; 李建奇

doi:10.7498/aps.60.036803

摘要

利用直流磁控溅射技术在玻璃衬底上沉积了TiO2薄膜,并对其进行了Co离子注入,最后在真空中500 ℃退火50 min,得到系列薄膜样品. 利用剥离-分散方法制备了薄膜的透射电镜样品,并用扫描电镜(SEM)、X射线能量散射谱(EDX)和高分辨透射电镜(HRTEM)对样品做了近似原位观察,研究了薄膜样品中不同Co离子注入深度的成分分布和显微结构. 结果表明,薄膜呈锐钛矿结构,Co元素主要分布在薄膜表层,Co离子的注入使TiO2薄膜的晶粒被部分破坏,并形成CoO,而5

关键词:

Abstract

TiO2 thin films were prepared by direct current magnetron sputtering on glass substrates, then were implanted by cobalt ions, and finally annealed at 500 ℃ for 50 min. Specimens for transmission electron microscopy were prepared by peeling-scattering technology, and were observed in situ by scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray (EDX) and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM). The films were identified as anatase structure. The Co ions exist mainly in a thin layer beneath the surface of the films. The implanted Co ions damage the TiO2 crystals and some of them exist as CoO. The annealing treatment could repair the TiO2 grains and make the Co ions diffuse into the TiO2 lattice. The vibrating sample magnetometer (VSM) measurements show that the Co ion implanted TiO2 films are ferromagnetic at room temperature and the annealing treatment in vacuum could enhance the ferromagnetism, which could be explained within the scope of the BMP theory.

Keywords:

作者及机构信息

(1)北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,微纳测控与低维物理教育部重点实验室,北京 100191; (2)北京凝聚态物理国家实验室,中国科学院物理研究所,北京 100190

基金项目: 北京航空航天大学博士研究生创新基金(批准号:292122)资助的课题.

Authors and contacts

(1)Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; (2)School of Physics and Nuclear Energy Engineering, Key Laboratory of Micro-nano Measurement-Manipulation and Physics (Ministry of Education), Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China

参考文献

[1]	Shen L, Zhu G H, Guo W B, Chen T, Zhang X D, Liu C X, Chen W Y, Ruan S P, Zhong Z C 2008 Appl. Phys. Lett. 92 073307
[2]	Yu H Z, Peng J B, Liu J C 2009 Acta Phys. Sin. 58 669 (in Chinese) [於黄忠、彭俊彪、刘金成 2009 物理学报 58 669]
[3]	Liang L Y, Dai S Y, Fang X Q, Hu L H 2008 Acta Phys. Sin. 57 1956 (in Chinese) [梁林云、戴松元、方霞琴、胡林华 2008 物理学报 57 1956]
[4]	Zhang Y, Zhao Y, Cai N, Xiong S Z 2008 Acta Phys. Sin. 57 5806 (in Chinese) [张苑、赵颖、蔡宁、熊绍珍 2008 物理学报 57 5806]
[5]	Asahi R, Morikawa T, Ohwaki T, Aoki K, Taga Y 2001 Science 293 269
[6]	Zhao Z Y, Liu Q J, Zhu Z Q, Zhang J 2008 Acta Phys. Sin. 57 3760 (in Chinese) [赵宗彦、柳清菊、朱忠其、张瑾 2008 物理学报 57 3760]
[7]	Zeng W, Liu T M 2010 Physica B 405 1345
[8]	Matsumoto Y, Murakami M, Shono T, Hasegawa T, Fukumura T, Kawasaki M, Ahmet P, Chikyow T, Koshihara S, Koinuma H 2001 Science 291 854
[9]	Karthik K, Pandian S K, Kumar K S, Jaya N V 2010 Appl. Surf. Sci. 256 4757
[10]	Xu J P, Shi S B, Li L, Zhang X S, Wang Y X, Chen X M, Wang J F, Lv L Y, Zhang F M, Zhong W 2010 J. Appl. Phys. 107 053910
[11]	Lee Y J, de Jong M P, Jansen R 2010 Appl. Phys. Lett. 96 082506
[12]	Lee J K, Jung H S, Valdez J A, Hundley M F, Thompson J D, Sickafus K E, Nastasi M, Hamby D W, Lucca D A 2006 Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 250 279
[13]	Liu F M, Ding P, Yang X A, Li J Q 2009 Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 267 3104
[14]	Mi W B, Jiang E Y, Bai H L 2009 J. Magn. Magn. Mater. 321 2472
[15]	Sakurai J, Buyers W J L, Cowley R A, Dolling G 1968 Phys. Rev. 167 510
[16]	Das S, Patra M, Majumdar S, Giri S 2009 J. Alloys Compd. 488 27
[17]	Coey J M D, Venkatesan M, Fitzgerald C B 2005 Nature Mater. 4 173
[18]	Pereira L C J, Nunes M R, Monteiro O C, Silvestre A J 2008 Appl. Phys. Lett. 93 222502
[19]	Bak T, Nowotny J, Rekas M, Sorrell C C 2003 J. Phys. Chem. Solids 64 1057

施引文献

[1]	Shen L, Zhu G H, Guo W B, Chen T, Zhang X D, Liu C X, Chen W Y, Ruan S P, Zhong Z C 2008 Appl. Phys. Lett. 92 073307
[2]	Yu H Z, Peng J B, Liu J C 2009 Acta Phys. Sin. 58 669 (in Chinese) [於黄忠、彭俊彪、刘金成 2009 物理学报 58 669]
[3]	Liang L Y, Dai S Y, Fang X Q, Hu L H 2008 Acta Phys. Sin. 57 1956 (in Chinese) [梁林云、戴松元、方霞琴、胡林华 2008 物理学报 57 1956]
[4]	Zhang Y, Zhao Y, Cai N, Xiong S Z 2008 Acta Phys. Sin. 57 5806 (in Chinese) [张苑、赵颖、蔡宁、熊绍珍 2008 物理学报 57 5806]
[5]	Asahi R, Morikawa T, Ohwaki T, Aoki K, Taga Y 2001 Science 293 269
[6]	Zhao Z Y, Liu Q J, Zhu Z Q, Zhang J 2008 Acta Phys. Sin. 57 3760 (in Chinese) [赵宗彦、柳清菊、朱忠其、张瑾 2008 物理学报 57 3760]
[7]	Zeng W, Liu T M 2010 Physica B 405 1345
[8]	Matsumoto Y, Murakami M, Shono T, Hasegawa T, Fukumura T, Kawasaki M, Ahmet P, Chikyow T, Koshihara S, Koinuma H 2001 Science 291 854
[9]	Karthik K, Pandian S K, Kumar K S, Jaya N V 2010 Appl. Surf. Sci. 256 4757
[10]	Xu J P, Shi S B, Li L, Zhang X S, Wang Y X, Chen X M, Wang J F, Lv L Y, Zhang F M, Zhong W 2010 J. Appl. Phys. 107 053910
[11]	Lee Y J, de Jong M P, Jansen R 2010 Appl. Phys. Lett. 96 082506
[12]	Lee J K, Jung H S, Valdez J A, Hundley M F, Thompson J D, Sickafus K E, Nastasi M, Hamby D W, Lucca D A 2006 Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 250 279
[13]	Liu F M, Ding P, Yang X A, Li J Q 2009 Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 267 3104
[14]	Mi W B, Jiang E Y, Bai H L 2009 J. Magn. Magn. Mater. 321 2472
[15]	Sakurai J, Buyers W J L, Cowley R A, Dolling G 1968 Phys. Rev. 167 510
[16]	Das S, Patra M, Majumdar S, Giri S 2009 J. Alloys Compd. 488 27
[17]	Coey J M D, Venkatesan M, Fitzgerald C B 2005 Nature Mater. 4 173
[18]	Pereira L C J, Nunes M R, Monteiro O C, Silvestre A J 2008 Appl. Phys. Lett. 93 222502
[19]	Bak T, Nowotny J, Rekas M, Sorrell C C 2003 J. Phys. Chem. Solids 64 1057

[1]	董霄鹏, 赵兴, 殷林瀚, 彭思琦, 王京南, 郭永权. 熵调控的Gd₂Co₁₇金属间化合物的结构与室温磁性能. 物理学报, 2023, 72(10): 107501. doi: 10.7498/aps.72.20221995
[2]	王少霞, 赵旭才, 潘多桥, 庞国旺, 刘晨曦, 史蕾倩, 刘桂安, 雷博程, 黄以能, 张丽丽. 过渡金属(Cr, Mn, Fe, Co)掺杂对TiO₂磁性影响的第一性原理研究. 物理学报, 2020, 69(19): 197101. doi: 10.7498/aps.69.20200644
[3]	陈国祥, 樊晓波, 李思琦, 张建民. 碱金属和碱土金属掺杂二维GaN材料电磁特性的第一性原理计算. 物理学报, 2019, 68(23): 237303. doi: 10.7498/aps.68.20191246
[4]	林俏露, 李公平, 许楠楠, 刘欢, 王苍龙. 金红石TiO2本征缺陷磁性的第一性原理计算. 物理学报, 2017, 66(3): 037101. doi: 10.7498/aps.66.037101
[5]	潘凤春, 徐佳楠, 杨花, 林雪玲, 陈焕铭. 非掺杂锐钛矿相TiO2铁磁性的第一性原理研究. 物理学报, 2017, 66(5): 056101. doi: 10.7498/aps.66.056101
[6]	徐大庆, 张义门, 娄永乐, 童军. 热退火对Mn离子注入非故意掺杂GaN微结构、光学及磁学特性的影响. 物理学报, 2014, 63(4): 047501. doi: 10.7498/aps.63.047501
[7]	丁斌峰, 相凤华, 王立明, 王洪涛. He+辐照对Ga0.94Mn0.06As薄膜铁磁性的改善. 物理学报, 2012, 61(4): 046105. doi: 10.7498/aps.61.046105
[8]	顾建军, 孙会元, 刘力虎, 岂云开, 徐芹. 结构相变对Fe掺杂TiO2薄膜室温铁磁性的影响. 物理学报, 2012, 61(1): 017501. doi: 10.7498/aps.61.017501
[9]	叶颖惠, 吕斌, 张维广, 黄宏文, 叶志镇. Mn-Na共掺ZnO非极性薄膜的结构及其光电磁性能研究. 物理学报, 2012, 61(3): 036701. doi: 10.7498/aps.61.036701
[10]	杨天勇, 孔春阳, 阮海波, 秦国平, 李万俊, 梁薇薇, 孟祥丹, 赵永红, 方亮, 崔玉亭. 退火温度对N+注入ZnO:Mn薄膜结构及室温铁磁性的影响. 物理学报, 2012, 61(16): 168101. doi: 10.7498/aps.61.168101
[11]	王风, 王新强, 聂招秀, 程志梅, 刘高斌. 三元化合物ZnVSe2半金属铁磁性的第一性原理计算. 物理学报, 2011, 60(4): 046301. doi: 10.7498/aps.60.046301
[12]	周传仓, 刘发民, 丁芃, 钟文武, 蔡鲁刚, 曾乐贵. 钪钇石型β-Mn2V2O7的水热合成、结构表征与反铁磁性. 物理学报, 2011, 60(7): 077504. doi: 10.7498/aps.60.077504
[13]	郑玉龙, 甄聪棉, 马丽, 李秀玲, 潘成福, 侯登录. Si-Al2O3复合薄膜的室温铁磁性. 物理学报, 2011, 60(11): 117502. doi: 10.7498/aps.60.117502
[14]	程兴旺, 李祥, 高院玲, 于宙, 龙雪, 刘颖. Co掺杂的ZnO室温铁磁半导体材料制备与磁性和光学特性研究. 物理学报, 2009, 58(3): 2018-2022. doi: 10.7498/aps.58.2018
[15]	严国清, 谢凯旋, 莫仲荣, 路忠林, 邹文琴, 王申, 岳凤娟, 吴镝, 张凤鸣, 都有为. 共沉淀法制备Co掺杂ZnO的室温铁磁性的研究. 物理学报, 2009, 58(2): 1237-1241. doi: 10.7498/aps.58.1237
[16]	孔令刚, 康晋锋, 王漪, 刘力锋, 刘晓彦, 张兴, 韩汝琦. CoxTi1－xO2－δ体材中氢退火引起的铁磁性及结构相变. 物理学报, 2006, 55(3): 1453-1457. doi: 10.7498/aps.55.1453
[17]	宋红强, 陈延学, 任妙娟, 季刚. Ti1－xCoxO2铁磁性半导体薄膜研究. 物理学报, 2005, 54(1): 369-372. doi: 10.7498/aps.54.369
[18]	匡安龙, 刘兴翀, 路忠林, 任尚坤, 刘存业, 张凤鸣, 都有为. 稀释磁性半导体Sn1-xMnxO2的室温铁磁性. 物理学报, 2005, 54(6): 2934-2937. doi: 10.7498/aps.54.2934
[19]	郑庆祺, 蒲富恪. 格林函数对S≥1/2情形下反铁磁性理论的应用. 物理学报, 1964, 20(7): 624-635. doi: 10.7498/aps.20.624
[20]	邝宇平, 易余萍. 铁磁性的量子理论. 物理学报, 1963, 19(9): 541-559. doi: 10.7498/aps.19.541

计量

文章访问数: 7794
PDF下载量: 860
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板