Nb:TiO2室温铁磁性机理及其自旋极化输运与调控的研究

围绕Nb:TiO2室温铁磁性机理及其自旋极化输运与调控问题，我们利用激光分子束外延(L-MBE)的方法制备了高质量的Nb:TiO2薄膜，通过X射线光电子能谱(XPS)，检测材料中元素所处的化学环境，并结合第一性原理计算与相关的输运测量，阐明了Nb:TiO2中铁磁性的起源是未配对的d电子。制备了高质量的Nb:TiO2基磁性隧道结，探测了该半导体室温下的自旋极化输运特性。项目实施基本上按照原计划进行，获得了如下研究成果：.1）Nb:TiO2薄膜室温铁磁性机理的研究：利用L-MBE方法制备了Nb:TiO2薄膜。XPS测量和第一性原理计算表明，未配对的d电子导致了Nb:TiO2中具有铁磁性。另外，研究发现，Nb:TiO2的铁磁性会随着载流子浓度的增大而增大，表现出载流子调控的特性。.2）Nb:TiO2基磁隧道结自旋极化输运的研究.制备了具有不同势垒厚度的高质量Nb:TiO2基磁性隧道结（MTJ）。在MTJ中观测到了类似于隧道磁电阻效应（TMR）的行为，在室温下，其TMR比率在29%左右，当温度降低到6K，其TMR比率达到了600%，表明Nb:TiO2具有极化输运的特征。其次，在不同掺杂浓度的Nb:TiO2薄膜的Hall结构中，通过测量电阻率随温度的变化曲线，发现Nb:TiO2中存在Kondo效应，表明Nb:TiO2中存在本征的局域磁矩。在对Hall电阻随磁场的变化情况的测量发现，5%掺杂的Nb:TiO2薄膜具有反常Hall效应，直接证明了Nb:TiO2中的载流子具有极化特性。上述结果表明，Nb:TiO2的载流子具有极化输运的特性，是制备自旋电子学器件的候选材料之一。.3）Kondo效应和Hall迁移率的电场调控.采用双电层场效应方法来调控锐钛矿TiO2薄膜器件的载流子浓度，使其从5.0×10^13增加到1.5×10^15 cm^-3，伴随着锐钛矿TiO2发生了绝缘体-金属相变，其电阻减小了近三个数量级。同时证实了在我们的锐钛矿TiO2器件样品中存在Kondo效应，并且具有较高的Kondo特征温度。更加有趣的是Kondo效应和霍尔迁移率都表现出很强的载流子依赖特性。因此我们可以改变栅压来调控Kondo效应，并且可以使霍尔迁移率提高接近一个数量级。我们对这些结果都给出了合理的解释。我们的实验证实了双电层场效应技术确实是研究、调控材料新奇物理性质强有力的工具。