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MgTiO3：Fe（Co）薄膜的光学和磁学性质研究

2020-12-08阅读(855)

MgTiO3：Fe（Co）薄膜的光学和磁学性质研究

论文摘要

近年来,微波器件的小型化和集成化对介质材料的损耗、介电常数和稳定性等提出了更高的要求。钛铁矿结构的MgTiO3,具有低损耗、高介电常数和良好稳定性等特点,而成为一种新型的微波介电材料。为了进一步地改善和提高其微波介电性,文献中报道了不同形式的MgTiO3样品,如块体、粉末以及薄膜等。许多研究发现,纯六方相MgTiO3不易获得,但是通过一些元素的掺杂可以降低其烧结温度以及改善相纯度,进而改善MgTiO3的微波介电性。人们虽然对MgTiO3开展了许多研究,但是还有一些问题没有解决:如报道的MgTiO3的光学带隙相差很大,造成这种现象的原因是什么,目前还没有人给出合理的解释;MgTiO3薄膜的光学研究缺乏系统性;磁性元素掺杂MgTiO3薄膜的研究还很匮乏等。鉴于MgTiO3研究中存在的问题,我们开展了磁性元素掺杂MgTiO3薄膜的制备、结构表征、磁学和光学性质的研究。另外,铁基硫属元素化合物FeX2（X=S,Se,Te）,由于其优异的性能,例如窄带隙,高的载流子迁移率,在可见光区和紫外光区具有大的吸收系数等而引起广泛关注。特别是具有白铁矿结构的FeTe2,以其半导体行为和顺磁性而引起关注。鉴于FeTe2的相关研究很少,而且Fe位掺杂可能会改变FeTe2的结构而出现新的物性,我们制备了Co掺杂FeTe2单晶,并对其结构和电输运进行了初步的研究。在论文中,我们采用溶胶凝胶法（sol-gel）制备了Fe、Co掺杂MgTiO3薄膜,以及自助熔剂法生长了Co掺杂FeTe2单晶,开展了一些工作。主要内容如下:1.我们通过溶胶凝胶法在Si衬底上制备出Fe掺杂MgTiO3薄膜。X射线衍射（XRD）结果表明,所有样品的空间群为R-3,属于六方晶系,是纯相的钛铁矿结构。随着Fe浓度从0.00增加到0.07,晶格参数a与c均逐渐增加,这表明Fe掺杂改变了MgTiO3的晶体结构。样品的X射线光电子能谱结果表明,样品中存在Fe3+离子。依据Tauc-Lorentz介电函数模型,对Fe掺杂MgTiO3薄膜在240-825nm范围的椭圆偏振谱进行处理,来研究样品的光学性质。样品在532nm处的折射率n随着Fe掺杂的增加呈现出先增大后减小的行为,薄膜的光学带隙EOBG随着Fe掺杂量x的增加,从4.55 eV降低到4.36 eV,满足关系式EOBG=（4.55-2.67*x）,这与Fe掺杂引起的杂质带有关。样品的室温磁化强度-磁场（M-H）测量表明,未掺杂MgTiO3薄膜呈现出的弱磁性可能源于氧空位。x=0.01的样品显示出明显的铁磁性。随着Fe掺杂量增加,样品的磁性越来越强,同时也发现当Fe掺杂量x>0.01时,样品在高场下表现出不饱和磁化特性。Fe3+-VO-Fe3+之间的交换以及束缚磁极化子的铁磁性和两个Fe3+间的反铁磁性的共存与竞争导致了Fe掺杂MgTiO3薄膜的复杂磁行为。另外,我们对生长在石英衬底上的Fe掺杂MgTiO3薄膜进行紫外-可见-近红外透射测量,结果表明随着Fe掺杂浓度的增加,薄膜的吸收边呈现出红移现象。2.采用溶胶凝胶法来制备Co掺杂MgTiO3薄膜。薄膜的XRD结果表明,所有薄膜样品均为六方相,其空间群为R-3（148）。室温M-H测量表明未掺杂的MgTiO3薄膜表现出很弱的铁磁有序,但随着Co掺杂浓度的增加,MgTiO3薄膜的铁磁性逐渐增强,并且随着磁场的增加所有样品表现出磁饱和现象。对于掺杂浓度x=0,0.01,0.03,0.05,0.07的样品,饱和磁化强度值分别为0.04 emu/cm3,1.15 emu/cm3,2.24 emu/cm3,3.28emu/cm3,4.49 emu/cm3。另外,我们还生长了石英衬底上Co掺杂MgTiO3薄膜。从样品的透射谱可以看出,薄膜的基本吸收边出现了红移。利用Cauchy色散模型,对样品在600-1200nm之间的透射谱进行处理,研究了其折射率n和消光系数k。随着Co含量的增加,样品在1150nm处的折射率和在860nm处的消光系数都逐渐增大,这意味着Co掺杂明显改变了样品的光学性质。3.利用自助熔剂法制备了名义组分的Fe1-xCoxTe2（x=0.2,0.3,0.4,0.5）单晶。XRD分析表明单晶具有正交结构,空间群为Pnnm（58）。共焦显微激光拉曼光谱测试结果表明单晶约在90.348 cm-1、120.56 cm-1、140.7 cm-1处显示出明显的拉曼峰。名义组分为Fe0.5Co0.5Te2的样品的电输运表现为类金属行为,利用Bloch-Grüneisen理论对其电输运进行研究,结果表明导电性可能来源于带内电子跃迁。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 钛酸盐薄膜材料
  •     1.1.1 钛酸盐薄膜的应用前景
  •     1.1.2 钛酸盐薄膜的制备方法
  • 3 的研究进展'>  1.2 MgTiO3的研究进展
  • 3 微波介电陶瓷材料的研究'>    1.2.1 MgTiO3微波介电陶瓷材料的研究
  • 3 纳米材料的研究进展'>    1.2.2 MgTiO3纳米材料的研究进展
  • 3 薄膜的研究'>    1.2.3 MgTiO3薄膜的研究
  •   1.3 实验研究的目的及意义
  •   1.4 实验所用测试仪器及其原理
  •     1.4.1 X射线粉末衍射仪
  •     1.4.2 原子力显微镜
  •     1.4.3 共焦显微激光拉曼光谱仪
  •     1.4.4 光谱型椭圆偏振仪
  •     1.4.5 紫外可见近红外光谱仪
  •     1.4.6 磁学测量系统
  •   1.5 实验所用试剂及仪器
  •     1.5.1 实验所用试剂
  •     1.5.2 实验所用仪器
  •   参考文献
  • 3 薄膜的光学和磁学性质研究'>第2章 Fe掺杂MgTiO3薄膜的光学和磁学性质研究
  •   2.1 引言
  • 3 薄膜的制备过程'>  2.2 Fe掺杂MgTiO3薄膜的制备过程
  •     2.2.1 前驱液的制备
  • 3 薄膜的制备'>    2.2.2 Fe掺杂MgTiO3薄膜的制备
  • 3 薄膜的物性研究'>  2.3 Si衬底上Fe掺杂MgTiO3薄膜的物性研究
  • 3 薄膜的XRD测量'>    2.3.1 Si衬底上Fe掺杂MgTiO3薄膜的XRD测量
  • 3 薄膜的形貌表征'>    2.3.2 Si衬底上Fe掺杂MgTiO3薄膜的形貌表征
  • 3 薄膜的XPS测量'>    2.3.3 Si衬底上Fe掺杂MgTiO3薄膜的XPS测量
  • 3 薄膜的光学性质'>    2.3.4 Si衬底上Fe掺杂MgTiO3薄膜的光学性质
  • 3 薄膜的磁学性质'>    2.3.5 Si衬底上Fe掺杂MgTiO3薄膜的磁学性质
  • 3 薄膜的透射谱'>  2.4 石英衬底上Fe掺杂MgTiO3薄膜的透射谱
  •   2.5 本章小结
  •   参考文献
  • 3 薄膜的光学和磁学性质研究'>第3章 Co掺杂MgTiO3薄膜的光学和磁学性质研究
  •   3.1 引言
  • 3 薄膜的制备'>  3.2 Co掺杂MgTiO3薄膜的制备
  •     3.2.1 前驱体溶液的制备
  •     3.2.2 薄膜的制备
  • 3 薄膜的表征'>  3.3 石英衬底上Co掺杂MgTiO3薄膜的表征
  • 3 薄膜的XRD'>    3.3.1 石英衬底上Co掺杂MgTiO3薄膜的XRD
  • 3 薄膜的透射光谱'>    3.3.2 石英衬底上Co掺杂MgTiO3薄膜的透射光谱
  • 3 薄膜的表征'>  3.4 Si衬底上Co掺杂MgTiO3薄膜的表征
  • 3 薄膜的X射线衍射'>    3.4.1 Co掺杂MgTiO3薄膜的X射线衍射
  • 3 薄膜的磁学性质研究'>    3.4.2 Co掺杂MgTiO3薄膜的磁学性质研究
  •   3.5 实验探究与发现
  •   3.6 本章小结
  •   参考文献
  • 2 单晶的制备及其电输运'>第4章 Co掺杂FeTe2单晶的制备及其电输运
  •   4.1 引言
  • 2 单晶的制备'>  4.2 Co掺杂FeTe2单晶的制备
  •   4.3 EDX分析
  •     4.3.1 单质原料Fe、Co、Te的 EDX谱
  • 0.5Co0.5Te2 单晶的表面形貌及其成分定量分析'>    4.3.2 名义组分为Fe0.5Co0.5Te2单晶的表面形貌及其成分定量分析
  • 2 单晶的结构表征'>  4.4 Co掺杂FeTe2单晶的结构表征
  •     4.4.1 X射线衍射分析
  • 2 单晶的拉曼测试'>    4.4.2 Co掺杂FeTe2单晶的拉曼测试
  • 0.5Co0.5Te2 单晶的电阻率测量'>  4.5 名义组分为Fe0.5Co0.5Te2单晶的电阻率测量
  •   4.6 本章小结
  •   4.7 实验所用试剂及仪器设备
  •     4.7.1 实验试剂
  •     4.7.2 实验仪器
  •   参考文献
  • 总结与展望
  • 致谢
  • 攻读学位期间发表的学术论文目录

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 赵慧

    导师: 田建军

    关键词: 薄膜,掺杂,光学性质,磁学性质,电学性质

    来源: 河南大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 物理学,工业通用技术及设备

    单位: 河南大学

    分类号: O484.4

    总页数: 67

    文件大小: 4592K

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