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铁磁性半导体被认为是下一代利用电子的自旋自由度所制各的自旋电子学器件的主要材料。继续寻找一种居里温度(Tc)高于室温、具有可摔铁磁性的半导体,仍然是目前自旋电子学领域的科学家们工作的一大重点。Nb:TiO2是一种载流子浓度可调范围大(1018～1021/cm3),具有本征铁磁性的n型半导体。本论文利用激光脉冲沉积(PLD),制备了不同掺杂浓度的Nb:TiO2薄膜和Nb:TiO2/LaAlO3异质结,围绕Nb:TiO2的室温铁磁性机理,进行了深入的研究,并以此为基础,对Nb:TiO2自旋极化的输运特性进行了探索,得到了如下研究结果: 1)Nb:TiO2中铁磁性的起源是未配对的d电子 我们利用PLD在10-5Torr的O2气氛下制备了TiO2和Ti0.95Nb0.05O2薄膜。超导量子干涉仪(SQUID)测量发现,TiO2薄膜没有室温的铁磁性而Ti0.95Nb0.05O2具有室温铁磁性,其单位原胞的磁矩为0.142μB。该结果与X光电子能谱(XPS)测量得到的未配对的d电子产生的磁矩0.13μB一致。从而我们认为,未配对的d电予是导致Nb:TiO2具有室温铁磁性的根本原因。该结论与自旋极化的第一性原理计算结果相符。 进一步的,我们制备了一系列不同Nb掺杂的Nb:TiO2样品(0.2％～6％),发现,Nb:TiO2中的铁磁性与其掺杂浓度(也就是d电子浓度)有重要依赖关系。而且其铁磁性强弱的变化趋势与XPS测得的未配对的d电子的浓度的变化趋势基本一致,进一步证明了d电子导致了Nb:TiO2具有本征铁磁性的结论。 2)LaAlO3是制备Nb:TiO2基磁隧道结(MTJ)器件的理想势垒材料 我们通过PLD的办法,实现了LaAlO3和TiO2薄膜间的相互外延,成功的制备出了c轴取向的LaAlO3/TiO2异质结。利用XPS对一系列TiO2上生长的不同厚度的LaAlO3异质结的La和Ti元素的结合能进行了测量,得到LaAlO3/TiO2异质结的价带的能带偏移量为0.35±0.16eV。考虑LaAlO3和TiO2的带隙宽度分别为6.50eV和3.20eV,由此计算出LaAlO3/TiO2异质结的导带的能带偏移量达到2.95±0.16eV,从而证明LaAlO3是制备Nb:TiO2基MTJ器件的理想势垒材料。 3)晶粒尺寸对于Nb:TiO2的输运特性有重要影响 本工作中,我们首先对不同厚度的TiO2和Nb:TiO2薄膜的X光衍射(XRD)分析发现,薄膜的晶粒尺寸随着薄膜厚度的增大而增大。随后对薄膜的电学特性测量结果显示,薄膜的电导率、载流子浓度和迁移率都随着薄膜晶粒尺寸的增大而增大。同时,我们利用分光光度计测量了不同晶粒尺寸薄膜的光学吸收带隙,发现,TiO2和Nb:TiO2的能隙在晶粒尺寸小到15nm,随着晶粒尺寸的进一步减小,其能隙都迅速变宽,符合量子受限效应的模型。当晶粒尺寸大于15nm,TiO2的能隙基本维持在3.22eV,而Nb:TiO2的光学吸收带隙却随着晶粒尺寸的增大而增大,其规律符合Burstein-Moss效应。证明晶粒尺寸确实影响了Nb:TiO2的带隙宽度和输运特性。 4)Nb:TiO2中的载流子具有极化输运的特性 我们利用PLD方法制备了Nb:TiO2/LaAlO3/Nb:TiO2异质结结构和Nb:TiO2薄膜。通过微加工得到了大小为200/μm200μm的Nb:TiO2/LaAlO3/Nb:TiO2隧道结(MTJ)以及长600/μm、宽100μm的8电极Nb:TiO2薄膜的Hall结构。首先,我们在该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,其极化的载流子可以保持极化特性通过LaAlO3势垒并受到另一层Nb:TiO2极化电_了的散射。其次,我们在对不同掺杂浓度的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中具有本征的局域磁矩。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,其反常Hall效应的R-H曲线符合SQUID对同浓度掺杂的Nb:TiO2的M-H的测量结果,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。