Mn2O3薄膜磁學(xué)性能研究

胡 蘋

(南華大學(xué)數(shù)理學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

Mn2O3薄膜磁學(xué)性能研究

胡 蘋

(南華大學(xué)數(shù)理學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

利用外延技術(shù)制備Mn2O3薄膜，研究不同的襯底對薄膜磁學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明Mn2O3薄膜具有室溫鐵磁性，呈明顯磁滯回線。同時通過對比研究，發(fā)現(xiàn)襯底摻雜與否對薄膜磁學(xué)性能有很大的影響，這表明薄膜性能與襯底之間的依賴關(guān)系。

Mn2O3；薄膜；磁性

0 引 言

稀磁半導(dǎo)體(diluted magnetic semiconductor,DMS)是實現(xiàn)自旋電子器件的材料基礎(chǔ)。借助這種材料可以實現(xiàn)電子自旋的注入、控制和輸運。特別是最近發(fā)現(xiàn)的具有室溫鐵磁性的稀磁性氧化物體系，借助這些氧化物材料可以實現(xiàn)室溫下的自旋過濾作用，將使自旋電子器件實現(xiàn)實用化，成為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點[1-4]。同時也有一些研究者發(fā)現(xiàn)一些氧化物在不摻雜的情形下也能實現(xiàn)室溫鐵磁性[5,6]。追溯其根源一部分研究者認為是制備樣品過程中引入雜質(zhì)導(dǎo)致其磁性，也有人認為是磁性來自于襯底，但也有相當(dāng)一部分認為是缺陷所致。近年來錳氧化物得到了許多研究者的青睞，由于其豐富的物理特性，在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用[7]。但是關(guān)于錳氧化物薄膜的研究還很少，尤其是關(guān)于薄膜的磁學(xué)性能的報導(dǎo)更為鮮見。

本文在基底上制備了α-Mn2O3薄膜，并研究了其磁學(xué)性能。在測試樣品的性能中，發(fā)現(xiàn)所使用的襯底對樣品的磁學(xué)性能有很大影響，利用SQUID研究了其磁學(xué)性能。

1 實 驗

α-Mn2O3薄膜的生長采用外延設(shè)備，并利用RHEED監(jiān)測樣品的生長。在生長之前，為了避免外來污染對樣品生長和性能的影響，先將襯底做了一系列處理：先用丙酮將襯底去油，接著將其放入丙酮中用超聲波清洗器清洗10 min左右，然后用無水乙醇和去離子水清洗襯底，去除襯底表面吸附的灰塵和碳粉顆粒，處理之后移入MBE真空腔。考慮到襯底對薄膜性能的影響，選用了兩種不同的襯底SrTiO3、Nb摻雜的SrTiO3。為了探討襯底對α-Mn2O3薄膜的影響，在生長過程中，嚴格控制好生長程序。在制備樣品時，固定Mn源的溫度為860 ℃。生長之后采用XPS、XRD分析樣品成分、各組分的價態(tài)、結(jié)構(gòu)等，使用SQUID分析外延樣品的磁性。

2 結(jié)果與討論

整個生長過程中，通過高能電子衍射鏡觀察樣品的生長過程。為了保證樣品的純度，首先對襯底進行了30 min的預(yù)處理，然后加熱Mn源至860 ℃,氧分壓為2.0×10-5mbar進行樣品制備。經(jīng)過一段時間之后，觀察到環(huán)狀的衍射圖樣，表明所制備的樣品可能為多晶。

接著利用X-ray衍射儀(XRD)分析了薄膜樣品的晶體結(jié)構(gòu)，X射線是CuKα1射線，波長為0.154 06 nm。掃描范圍是30～90 °。從XRD的圖像(圖1a)中，可以判別所制備的樣品為α-Mn2O3薄膜且有多個晶面取向，進一步證實其為多晶薄膜。為了進一步確定薄膜樣品的成分，利用XPS手段檢測了樣品的成分，發(fā)現(xiàn)除了襯底元素和外延薄膜元素的信號之外，并無其它雜質(zhì)。圖1b給出了外延薄膜相應(yīng)成分Mn、元素的XPS圖像，與文獻[4]報道吻合，也進一步證實了Mn被氧化成Mn3+。為了探討外延薄膜的磁學(xué)性質(zhì)，使用直流超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)測量了樣品的磁性能，如圖2所示。圖2a給出了室溫情況下的STO襯底制備的樣品磁化強度隨外加場的變化情況(M-H曲線)，而圖2b給出了室溫下Nb：STO襯底上制備的樣品的M-H曲線。從樣品的磁化曲線圖中可以看出其有明顯的磁滯現(xiàn)象，雖然其磁性比較弱，但樣品的室溫鐵磁性不能忽略。

圖1 (a)SrTiO3Nb:SrTiO3襯底上制備的Mn2O3薄膜粉末XRD圖；(b)Mn2p的XPS掃描譜。

圖 2 (a)STO襯底上Mn2O3 300 K時的M-H曲線； (b) Nb：STO襯底上Mn2O3 300 K時的M-H曲線。

具有室溫鐵磁性的薄膜用處非常廣泛，但是其磁性來源的闡釋還有待探討。大量文獻報導(dǎo)Mn2O3薄膜的中的Mn3+離子呈反鐵磁性。Chevalier等人在文獻[8]中報導(dǎo)α-Mn2O3塊體在TN～90 K溫度下呈反鐵磁性，而在這個溫度之上呈順磁性。本實驗中所制備的α-Mn2O3薄膜卻表現(xiàn)出了室溫鐵磁性只能是來源于雜質(zhì)或缺陷。然而在樣品XPS成分檢測中沒有檢測到其他磁性雜質(zhì)，在XRD結(jié)構(gòu)成分分析中也沒有檢測到其他結(jié)構(gòu)的存在，同時襯底也沒有磁性，所以α-Mn2O3的鐵磁性不是來源于雜質(zhì)，而是來源于缺陷。在許多文獻中都提出了缺陷引起磁性，如Mn摻雜的ZnO薄膜表現(xiàn)出室溫鐵磁性。理論上Mn：ZnO不可能表現(xiàn)出磁性[9]，而實驗中制備的Mn：ZnO卻表現(xiàn)出了磁性[10]，許多研究者都認為其來源于缺陷-氧空位。在薄膜的制備過程中由于生長條件和環(huán)境影響，可能引入氧空位從而導(dǎo)致薄膜呈現(xiàn)鐵磁性，多晶結(jié)構(gòu)也為氧空位的存在提供了有利條件。對比兩個不同襯底上樣品的磁性也可看出，氧空位對薄膜的磁性起了非常大的作用。STO襯底上制備的樣品磁性較導(dǎo)電的NSTO上的弱，這也說明氧空位對磁性的貢獻。NSTO由于摻雜了Nb，其載流子濃度提升，同時也增加了氧空位的數(shù)量[11]，在制備樣品的過程中，一部分氧空位遷移到Mn2O3薄膜中，從而導(dǎo)致這種薄膜的磁性較強。

在后續(xù)研究中將會繼續(xù)探討M-T曲線的變化趨勢及樣品磁性的產(chǎn)生機理。

3 結(jié) 論

本文通過對Mn源生長溫度的控制和襯底的選擇，發(fā)現(xiàn)在生長過程中能夠制備出α-Mn2O3薄膜，對薄膜的磁性檢測發(fā)現(xiàn)襯底載流子對薄膜的磁性有較大的影響。對比研究在未摻雜的SrTiO3與Nb摻雜的襯底上制備薄膜室溫下的鐵磁性，表明氧空位是α-Mn2O3薄膜磁性的來源。

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[責(zé)任編輯：劉守義 英文編輯：劉彥哲]

Magnetic Properties of Mn2O3Thin Films

HU Ping

(College of Math and Physics,University of South China,Hengyang，Hunan 421001,China)

Using epitaxial technique to prepare Mn2O3thin films,the dependence of α-Mn2O3thin films on different substrates was studied.The thin films deposited on Nb doped SrTiO3showed enhanced room temperature ferromagnetism with transparent magnetic hysteresis loop.The results showed that the carriers in substrates have a great impact on the properties of the grown thin films.This shows the dlependence between the property of thin films and substrate.

Mn2O3;thin film;magnetism

湖南省教育廳項目(11C1073)；南華大學(xué)博士啟動基金項目(2013XQD37)

胡蘋(1980-)，女，湖南衡陽人，南華大學(xué)數(shù)理學(xué)院教師，博士。

O 482.6

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2015.04.006

來稿日期：2015-05-12