Abstract
We studied the magnetic and the related electronic properties of Ni-doped rutile $TiO_{2-{\delta}}$ films (including oxygen deficiency $\delta$) prepared using a sol-gel method. A room-temperature ferromagnetism was observed in the $TiO_{2-{\delta}}$ : Ni films with the saturation magnetization ($M_S$) decreasing with increasing Ni doping and remaining constant above 6 at% Ni doping. The observed ferromagnetism below 6 at% Ni doping is interpreted as due to magnetic polaron formed by a trapped electron in oxygen vacancy and magnetic impurity ions around it. For small Ni doping, $M_S$ up to $3.7{\mu}B/Ni$ was obtained. The ferromagnetism for Ni doping above 6 at% is interpreted as due to the existence of Ni clusters that can explain the p-n conductivity transition observed by Hall effect measurements.
졸-겔(sol-gel) 방법을 이용하여 제작된 산소결핍(oxygen vacancy)들을 내포하는 Ni 도핑된 루타일(rutile) 구조의 $TiO_{2-{\delta}}$ 박막들에 대하여 그 자기적 성질 및 관련된 전자구조적 성질에 대하여 조사분석 하였다. $TiO_{2-{\delta}}$:Ni 박막들에서 상온 강자성이 관측되었으며 Ni 도핑량이 증가할수록 포화 자화량($M_s$)이 점차 감소하여 6 at% 이상에서 일정한 값으로 유지되었다. 이와 같은 Ni 도핑량 6 at% 이하에서의 강자성 현상은 산소결핍 자리에 속박된 전자를 매개로 그 주위에 존재하는 불순물 이온들의 자기 능률들이 강자성 정렬을 이루게 되는 자기 폴라론(magnetic polaron)의 형성에 의한 것으로 해석된다. 소량의 Ni 도핑 시 각 이온당 최대 $3.7{\mu}_B/Ni$의 큰 $M_s$ 값이 나타났으며 6 at% 이상에서의 일정한 $M_s$ 값은 Ni cluster 형성에 의한 것으로 해석된다. 이와 같은 Ni cluster의 존재는 시료들에 대한 Hall 측정 결과 나타난 Ni 도핑량 증가에 따르는 p-n 전도성 전이를 설명하여 줄 수 있다.
