Mn2O3薄膜磁学性能研究

胡 苹

(南华大学数理学院，湖南 衡阳 421001)

Mn2O3薄膜磁学性能研究

胡 苹

(南华大学数理学院，湖南 衡阳 421001)

利用外延技术制备Mn2O3薄膜，研究不同的衬底对薄膜磁学性能的影响。研究结果表明Mn2O3薄膜具有室温铁磁性，呈明显磁滞回线。同时通过对比研究，发现衬底掺杂与否对薄膜磁学性能有很大的影响，这表明薄膜性能与衬底之间的依赖关系。

Mn2O3；薄膜；磁性

0 引 言

稀磁半导体(diluted magnetic semiconductor,DMS)是实现自旋电子器件的材料基础。借助这种材料可以实现电子自旋的注入、控制和输运。特别是最近发现的具有室温铁磁性的稀磁性氧化物体系，借助这些氧化物材料可以实现室温下的自旋过滤作用，将使自旋电子器件实现实用化，成为自旋电子学领域的研究热点[1-4]。同时也有一些研究者发现一些氧化物在不掺杂的情形下也能实现室温铁磁性[5,6]。追溯其根源一部分研究者认为是制备样品过程中引入杂质导致其磁性，也有人认为是磁性来自于衬底，但也有相当一部分认为是缺陷所致。近年来锰氧化物得到了许多研究者的青睐，由于其丰富的物理特性，在工业上得到了广泛应用[7]。但是关于锰氧化物薄膜的研究还很少，尤其是关于薄膜的磁学性能的报导更为鲜见。

本文在基底上制备了α-Mn2O3薄膜，并研究了其磁学性能。在测试样品的性能中，发现所使用的衬底对样品的磁学性能有很大影响，利用SQUID研究了其磁学性能。

1 实 验

α-Mn2O3薄膜的生长采用外延设备，并利用RHEED监测样品的生长。在生长之前，为了避免外来污染对样品生长和性能的影响，先将衬底做了一系列处理：先用丙酮将衬底去油，接着将其放入丙酮中用超声波清洗器清洗10 min左右，然后用无水乙醇和去离子水清洗衬底，去除衬底表面吸附的灰尘和碳粉颗粒，处理之后移入MBE真空腔。考虑到衬底对薄膜性能的影响，选用了两种不同的衬底SrTiO3、Nb掺杂的SrTiO3。为了探讨衬底对α-Mn2O3薄膜的影响，在生长过程中，严格控制好生长程序。在制备样品时，固定Mn源的温度为860 ℃。生长之后采用XPS、XRD分析样品成分、各组分的价态、结构等，使用SQUID分析外延样品的磁性。

2 结果与讨论

整个生长过程中，通过高能电子衍射镜观察样品的生长过程。为了保证样品的纯度，首先对衬底进行了30 min的预处理，然后加热Mn源至860 ℃,氧分压为2.0×10-5mbar进行样品制备。经过一段时间之后，观察到环状的衍射图样，表明所制备的样品可能为多晶。

接着利用X-ray衍射仪(XRD)分析了薄膜样品的晶体结构，X射线是CuKα1射线，波长为0.154 06 nm。扫描范围是30～90 °。从XRD的图像(图1a)中，可以判别所制备的样品为α-Mn2O3薄膜且有多个晶面取向，进一步证实其为多晶薄膜。为了进一步确定薄膜样品的成分，利用XPS手段检测了样品的成分，发现除了衬底元素和外延薄膜元素的信号之外，并无其它杂质。图1b给出了外延薄膜相应成分Mn、元素的XPS图像，与文献[4]报道吻合，也进一步证实了Mn被氧化成Mn3+。为了探讨外延薄膜的磁学性质，使用直流超导量子干涉仪(SQUID)测量了样品的磁性能，如图2所示。图2a给出了室温情况下的STO衬底制备的样品磁化强度随外加场的变化情况(M-H曲线)，而图2b给出了室温下Nb：STO衬底上制备的样品的M-H曲线。从样品的磁化曲线图中可以看出其有明显的磁滞现象，虽然其磁性比较弱，但样品的室温铁磁性不能忽略。

图1 (a)SrTiO3Nb:SrTiO3衬底上制备的Mn2O3薄膜粉末XRD图；(b)Mn2p的XPS扫描谱。

图 2 (a)STO衬底上Mn2O3 300 K时的M-H曲线； (b) Nb：STO衬底上Mn2O3 300 K时的M-H曲线。

具有室温铁磁性的薄膜用处非常广泛，但是其磁性来源的阐释还有待探讨。大量文献报导Mn2O3薄膜的中的Mn3+离子呈反铁磁性。Chevalier等人在文献[8]中报导α-Mn2O3块体在TN～90 K温度下呈反铁磁性，而在这个温度之上呈顺磁性。本实验中所制备的α-Mn2O3薄膜却表现出了室温铁磁性只能是来源于杂质或缺陷。然而在样品XPS成分检测中没有检测到其他磁性杂质，在XRD结构成分分析中也没有检测到其他结构的存在，同时衬底也没有磁性，所以α-Mn2O3的铁磁性不是来源于杂质，而是来源于缺陷。在许多文献中都提出了缺陷引起磁性，如Mn掺杂的ZnO薄膜表现出室温铁磁性。理论上Mn：ZnO不可能表现出磁性[9]，而实验中制备的Mn：ZnO却表现出了磁性[10]，许多研究者都认为其来源于缺陷-氧空位。在薄膜的制备过程中由于生长条件和环境影响，可能引入氧空位从而导致薄膜呈现铁磁性，多晶结构也为氧空位的存在提供了有利条件。对比两个不同衬底上样品的磁性也可看出，氧空位对薄膜的磁性起了非常大的作用。STO衬底上制备的样品磁性较导电的NSTO上的弱，这也说明氧空位对磁性的贡献。NSTO由于掺杂了Nb，其载流子浓度提升，同时也增加了氧空位的数量[11]，在制备样品的过程中，一部分氧空位迁移到Mn2O3薄膜中，从而导致这种薄膜的磁性较强。

在后续研究中将会继续探讨M-T曲线的变化趋势及样品磁性的产生机理。

3 结 论

本文通过对Mn源生长温度的控制和衬底的选择，发现在生长过程中能够制备出α-Mn2O3薄膜，对薄膜的磁性检测发现衬底载流子对薄膜的磁性有较大的影响。对比研究在未掺杂的SrTiO3与Nb掺杂的衬底上制备薄膜室温下的铁磁性，表明氧空位是α-Mn2O3薄膜磁性的来源。

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[8]Chevalier R R,Roult G,Bertaut E F.Etude par effet Mossbauer du systeme Mn2-xFexO3transitions magnetiques dans Mn2O3par diffraction neutronique[J].Solid State Commun,1967,(05):7-11.

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[11]Zhang S X,Ogale S B,Kundaliya D C,et al.Search for ferromagnetism in conductive Nb:SrTiO3with magnetic transition element(Cr,Co,Fe,Mn)dopants[J].Appl Phys Lett,2006,(89):012501-012503.

[责任编辑：刘守义 英文编辑：刘彦哲]

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

湖南省教育厅项目(11C1073)；南华大学博士启动基金项目(2013XQD37)

胡苹(1980-)，女，湖南衡阳人，南华大学数理学院教师，博士。

O 482.6

A

10.3969/j.issn.1673-1492.2015.04.006

来稿日期：2015-05-12