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논문 상세정보

산소 결핍된 TiO2-δ 박막의 철 도핑에 의한 전기적, 자기적 특성 변화

Variation of Electronic and Magnetic: Properties in Oxygen-deficient TiO2-δ Thin Films by Fe Doping

초록

졸-겔(sol-gel)방법으로 제작된 산소 결핍된 anatase 및 rutile구조의 $TiO_{2-\delta}$ 박막에 대하여 철(Fe)도핑에 의하여 생겨나는 전기적, 자기적 특성의 변화를 조사분석 하였다. 진동 시료 자화율(vibrating sample magnetometry; VSM)과 뫼스바우어 분광(conversion electron Mossbauer spectroscopy, CEMS) 측정을 통하여 Fe 도핑된 anatase 및 rutile $TiO_{2-\delta}$ 박막들에서 모두 상온에서 강자성(ferromagnetism)특성이 나타남이 관측되었다. VSM측정 결과 같은 양의 Fe도핑에 대하여 anatase 시료는 rutile 시료보다 더 큰 자기모멘트 값을 나타내었고 CEMS측정으로부터 팔면체 $Ti^{4+}$자리에 치환된 $Fe^{3+}$이온이 시료가 나타내는 강자성 특성에 주로 기여하는 것으로 해석된다. 홀 효과(Hall effect)측정 결과 anatase $TiO_{2-\delta}:Fe$ 박막은 상온에서 p-type특성을 보였으나 관측된 강자성은 he]e carrier 농도와는 무관한 것으로 해석된다. $TiO_{2-\delta}:Fe$ 박막에서 관측된 강자성 특성은 산소결핍자리(oxygen vacancy)에 갇힌 전자를 매개로 하여 이웃한 두 $Fe^{3+}$ 이온들 간에 존재하게 되는 직접적인 강자성 결합(direct ferromagnetic coupling)에 기인한 것으로 해석될 수 있다.

Abstract

Oxygen-deficient anatase and rutile titanium dioxide $(TiO_{2-\delta})$ thin films were prepared by a sol-gel method and their structural, electronic, and magnetic properties were investigated. Both anatase and rutile $TiO_{2-\delta}:Fe$ Fe films exhibited ferromagnetism at room temperature for a limited range of Fe doping. For the same amount of Fe doping, the anatase sample exhibited a higher magnetic moment than the rutile one. Result of conversion electron Mossbauer spectroscopy measurements indicates that $Fe^{3+}$ ions substituting the octahedral $Ti^{4+}$ sites mainly contribute to the room-temperature ferromagnetism. Some of the anatase $TiO_{2-\delta}:Fe$ films exhibited p-type character but the observed feromagnetism turns out to be independent of the hole concentration. The room-temperature ferromagnetism can be explained in terms of a direct ferromagnetic coupling between two neighboring $Fe^{3+}$ ions via an electron trapped in oxygen vacancy in $TiO_{2-\delta}:Fe$.

참고문헌 (11)

  1. Y. Matsumoto, M. Murakami, T. Shono, T. Hasegawa, T. Fukumura, M. Kawasaki, P. Ahmet, T. Chikyow, S. Koshihara, and H. Koinuma, Science 291, 854(2001) 
  2. N. H. Hong, J. Sakai, and A. Hassini, Appl. Phys. Lett. 84, 2602(2004) 
  3. T. Droubay, S. M. Heald, V. Shutthanandan, S. Thevuthasan, S. A.Chambers, and J. Osterwalder, J. Appl. Phys. 97, 046103 (2005) 
  4. Z. Wang, J. Tang, L. D. Tung, W. Zhou, and L. Spinu, J. Appl. Phys. 93, 7870(2003) 
  5. N. H. Hong, J. Sakai, W. Prellier, A. Hassini, A. Ruyter, and F. Gervais, Phys. Rev. B 70, 195204(2004) 
  6. H. Toyosaki, T. Fukumura, Y. Yamada, K. Nakajima, T. Chikyow, T. Hasegawa, H. Koinuma, and M. Kawasaki, Nature Mater. 3, 221 (2004) 
  7. Y. R. Park and K. J. Kim, Thin Solid Films 484, 34(2005) 
  8. N. H. Hong, J. Sakai, and W. Prellier, J. Magn. Magn. Mater 281, 347(2004) 
  9. T. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura, J. Cibert, and D. Ferrand, Science 287, 1019(2000) 
  10. R. D. Shannon, Acta Crystallogr., Sect. A 32, 751(1976) 
  11. J. M. D. Coey, A. P. Douvalis, C. B. Fitzgerald, and M. Venkatesan, Appl. Phys. Lett. 84, 1332(2004) 

이 논문을 인용한 문헌 (2)

  1. Park, Young-Ran ; Kim, Kwang-Joo ; Kim, Chul-Sung 2006. "Study on Magnetic Properties of TiO2-δ:Ni Thin Films" 韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, 16(3): 168~172 
  2. Park, Young-Ran ; Kim, Kwang-Joo ; Yang, Woo-Il ; Lee, Sang-Young ; Kim, Chul-Sung 2006. "Room-temperature Ferromagnetism in Oxygen-deficient TiO2-δ Thin Films" 韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, 16(4): 206~210 

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