산소 결핍된 TiO2-δ 박막의 철 도핑에 의한 전기적, 자기적 특성 변화 = Variation of Electronic and Magnetic Properties in Oxygen-deficient TiO2-d Thin Films by Fe Doping

국문 초록 (Abstract)

졸-겔(sol-gel) 방법으로 제작된 산소 결핍된 anatase 및 rutile 구조의 TiO2-d 박막에 대하여 철(Fe) 도핑에 의하여 생겨나는 전기적, 자기적 특성의 변화를 조사분석 하였다. 진동 시료 자화율(vibrating sample magnetometry; VSM)과 뫼스바우어 분광(conversion electron Mossbauer spectroscopy; CEMS) 측정을 통하여 Fe 도핑된 anatase 및 rutile TiO2-d 박막들에서 모두 상온에서 강자성(ferromagnetism) 특성이 나타남이 관측되었다. VSM 측정 결과 같은 양의 Fe 도핑에 대하여 anatase 시료는 rutile 시료보다 더 큰 자기모멘트 값을 나타내었고 CEMS 측정으로부터 팔면체 Ti4+ 자리에 치환된 Fe3+ 이온이 시료가 나타내는 강자성 특성에 주로 기여하는 것으로 해석된다. 홀 효과(Hall effect) 측정 결과 anatase TiO2-d : Fe 박막은 상온에서 p-type 특성을 보였으나 관측된 강자성은 hole carrier 농도와는 무관한 것으로 해석된다. TiO2-d : Fe 박막에서 관측된 강자성 특성은 산소결핍 자리(oxygen vacancy)에 갇힌 전자를 매개로 하여 이웃한 두 Fe3+ 이온들 간에 존재하게 되는 직접적인 강자성 결합(direct ferromagnetic coupling)에 기인한 것으로 해석될 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Oxygen-deficient anatase and rutile titanium dioxide (TiO2-d) thin films were prepared by a sol-gel method and their structural, electronic, and magnetic properties were investigated. Both anatase and rutile TiO2-d : Fe films exhibited ferromagnetism at room temperature for a limited range of Fe doping. For the same amount of Fe doping, the anatase sample exhibited a higher magnetic moment than the rutile one. Result of conversion electron Mossbauer spectroscopy measurements indicates that Fe3+ ions substituting the octahedral Ti4+ sites mainly contribute to the room-temperature ferromagnetism. Some of the anatase TiO2-d : Fe films exhibited p-type character but the observed ferromagnetism turns out to be independent of the hole concentration. The room-temperature ferromagnetism can be explained in terms of a direct ferromagnetic coupling between two neighboring Fe3+ ions via an electron trapped in oxygen vacancy in TiO2-d : Fe.

참고문헌 (Reference)

• 1 R. D. Shannon, "Acta Crystallogr." 751 : 1976
• 2 R. D. Shannon, "Acta Crystallogr." 751 : 1976