Впервые обнаружено явление спиновой (магнитной) поляризации ионов кислорода в ферромагнитных образцах TiO₂:Co или ZnO:Сo и выявлено сильное влияние кислородных вакансий на проявление ферромагнетизма в магниторазбавленных оксидных полупроводниках, синтезированных ионной имплантацией.

Отдел радиационных воздействий на материалы, лаборатория радиационной физики.

Вплоть до настоящего времени физическая природа ферромагнетизма в оксидных полупроводниках (TiO₂, ZnO, и др.), легированных примесью 3d-элементов, является предметом научных дискуссий. Не ясно, в какой степени ферромагнетизм обусловлен непрямым обменным взаимодействием между магнитными ионами примеси (Co²⁺, Fe³⁺, Mn²⁺ и др.) в структуре оксидного полупроводника через электрон, локализованный на кислородной вакансии, и в какой степени – преципитацией примеси в форме магнитных наночастиц. С целью внести ясность в данный вопрос, мы разработали оригинальные методики по контролируемому пространственному перемещению имеющихся (или инжекции новых) кислородных вакансий в заданную кристаллическую область оксидного полупроводника путем приложения электрического потенциала.

В качестве объекта исследований служили образцы магниторазбавленного оксидного полупроводника Co_xTi_1-xO_2-δ, которые проявляли ферромагнитный отклик вплоть до температуры Т_с~830 K с характерной для ферромагнитных пластин анизотропией “легкая плоскость”. В результате экспериментов по перемещению кислородных вакансий в ферромагнитном оксидном полупроводнике или инжекции новых вакансий в данный материал, нам удалось создать пространственно разделенные области, как с повышенным, так и с пониженным содержанием вакансий. Магнитные измерения показали, что величины спонтанного и остаточного магнитного момента, измеренные при комнатной температуре, в среднем в 3-4 раза больше для области материала с повышенным содержанием вакансий по сравнению с областью с пониженным содержанием последних. Таким образом, проведенные исследования указывают на существенную роль кислородных вакансий в установлении дальнодействующего ферромагнитного порядка в диоксиде титана, легированном примесью кобальта. Методика контроля над величиной ферромагнитного отклика в магнитноразбавленных оксидных полупроводниках путем обратимого процесса перемещения кислородных вакансий может найти применение при конструировании новых приборов спинтроники.

Рис. 1. Петли магнитного гистерезиса в магнитном полупроводнике Co_xTi_1-xO_2-δ до (1) и после (2) инжекции в его объем кислородных вакансий.

Публикации:

A. Nefedov, N. Akdogan, H. Zabel, R.I. Khaibullin, L.R. Tagirov: Spin polarization of oxygen atoms in ferromagnetic, Co-doped rutile TiO₂ // Appl. Phys. Lett. 89, Iss. 18, 182509-1- 182509-3 (2006).