界面缺陷对纳米ZrO₂磁性影响的正电子湮没谱学研究

【作者】 王丹丹； 陈志权；

【机构】 河南科技大学物理工程学院； 武汉大学物理科学与技术学院；

【摘要】 近年来,在很多未掺杂的半导体和氧化物薄膜以及纳米颗粒中均发现了室温铁磁性。其磁性随着晶粒尺寸的增大而减弱,直到纳米晶体烧结成块材时消失。该铁磁性被认为是来源于晶粒的尺寸效应或者是表面缺陷。本文以纳米ZrO₂材料为研究对象,在不同温度下对其进行了退火处理。XRD和高分辨透射电镜表征结果揭示了2rO₂纳米晶在退火过程晶粒生长比较缓慢,1000℃以下退火晶粒基本没有生长。正电子湮没测量结果显示存在3个寿命（τ₁、τ₂和τ₃）。短寿命成分τ₁约184 ps,为正电子在自由态以及较小的空位中的湮没寿命。第二寿命τ₂约420 ps,表明纳米材料中有较大的空位团,主要存在于纳米晶界区域。最长的长寿命τ₃约3⁷ ns,而τ₃是正电子在晶粒间的微孔洞或者孔洞形成o-Ps的寿命。而它的强度I₃又非常小,经历高温烧结后,直接降低至O.3%,可以忽略不计。ZrO₂纳米晶经过600⁷00℃退火后,τ₁仍维持在184 ps左右,但当温度高达1300℃时,才缓慢降178 ps。在低于500℃的温度下退火时,τ₂的增加幅度很小,随着退火温度的升高,τ₂开始逐步减小,温度达到1300℃时,减小至270ps。500℃之前τ₂的上升过程显然是空位团的团聚过程,而500℃以上,τ₂减小的表明空位团开始恢复。1200℃退火后界面缺陷基本消除。多普勒展宽的S参数随退火温度的变化趋势和平均寿命的变化趋势基本一致。S参数和对应W参数可以很好地用一条直线进行拟合,这说明在退火过程,缺陷的类型一直没有发生变化。磁性测量结果显示100℃,500℃退火时存在明显磁滞回线,700℃退火时磁性消失。在排除掉晶粒尺寸效应对铁磁性的影响之后,我们观察到了铁磁性与界面缺陷之间很好的对应关系。说明磁性很可能与界面缺陷有关,而不是来自于晶粒尺寸效应。更多还原