Room-temperature Ferromagnetism in Oxygen-deficient TiO₂-δ Thin Films

Abstract

산소결핍(oxygen vacancy) 들이 존재하는 아나타시(anatase) 및 루타일(rutile) 구조의 $TiO_{2-{\delta}}$ 박막들에서 강자성 현상이 상온에서 관측되었다. 시료들에 대한 XPS 측정 결과 $Ti^{3+}$ 이온의 존재가 관측되었으며 산소결핍에 의한 전하 불균형을 상쇄시키기 위하여 생성되는 것으로 해석된다. $TiO_{2-{\delta}}$ 박막에서 나타나는 상온 강자성은 $Ti^{3+}$ 이온들이 가지는 $d^1$ 스핀들의 정렬에 의한 것으로 해석 되어진다. 이와 같은 강자성 스핀 정렬은 산소결핍 자리에 속박된 전자를 중심으로 형성되는 자기 폴라론(magneticpolaron)에 의하여 나타날 수 있다. A room-temperature ferromagnetism has been observed for oxygen-deficient rutile and anatase $TiO_{2-{\delta}}$ films. XPS data revealed the existence of $Ti^{3+}$ ions, for compensating the charge imbalance caused by oxygen vacancies in the film. The observed ferromagnetism is attributable to the spin ($3d^1$) alignment of the $Ti^{3+}$ ions. Such spin alignment can happen through magnetic polaron formed by trapped electron in oxygen vacancy and magnetic $Ti^{3+}$ ions around it.