Variation of Electronic and Magnetic: Properties in Oxygen-deficient TiO2-δ Thin Films by Fe Doping

Oxygen-deficient anatase and rutile titanium dioxide $(TiO_{2-\delta})$ thin films were prepared by a sol-gel method and their structural, electronic, and magnetic properties were investigated. Both anatase and rutile $TiO_{2-\delta}:Fe$ 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 $Fe^{3+}$ ions substituting the octahedral $Ti^{4+}$ sites mainly contribute to the room-temperature ferromagnetism. Some of the anatase $TiO_{2-\delta}:Fe$ films exhibited p-type character but the observed feromagnetism 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 $Fe^{3+}$ ions via an electron trapped in oxygen vacancy in $TiO_{2-\delta}:Fe$.

산소 결핍된 TiO2-δ 박막의 철 도핑에 의한 전기적, 자기적 특성 변화

졸-겔(sol-gel)방법으로 제작된 산소 결핍된 anatase 및 rutile구조의 $TiO_{2-\delta}$ 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 $TiO_{2-\delta}$ 박막들에서 모두 상온에서 강자성(ferromagnetism)특성이 나타남이 관측되었다. VSM측정 결과 같은 양의 Fe도핑에 대하여 anatase 시료는 rutile 시료보다 더 큰 자기모멘트 값을 나타내었고 CEMS측정으로부터 팔면체 $Ti^{4+}$자리에 치환된 $Fe^{3+}$이온이 시료가 나타내는 강자성 특성에 주로 기여하는 것으로 해석된다. 홀 효과(Hall effect)측정 결과 anatase $TiO_{2-\delta}:Fe$ 박막은 상온에서 p-type특성을 보였으나 관측된 강자성은 he]e carrier 농도와는 무관한 것으로 해석된다. $TiO_{2-\delta}:Fe$ 박막에서 관측된 강자성 특성은 산소결핍자리(oxygen vacancy)에 갇힌 전자를 매개로 하여 이웃한 두 $Fe^{3+}$ 이온들 간에 존재하게 되는 직접적인 강자성 결합(direct ferromagnetic coupling)에 기인한 것으로 해석될 수 있다.