We have investigated magnetic properties of molybdenum-doped ( 0 ~ 10 at %) indium oxide (IO) films. The films were prepared on (100) MgO substrates at 450 °C using a pulsed laser deposition (PLD) technique in a high vacuum chamber with a base pressure of 3 utorr. Targets of undoped (99.99 % purity) and 3 % and 5 % Mo-doped (99.95 % purity) In2O3 were used to prepare the films. The targets were ablated with or without an oxygen environment using a KrF excimer laser (λ = 248 nm) operating at 2 Hz with an integrated intensity of 0.3 J/cm2. The target was rotated during deposition to reduce particulate formation. A typical deposition rate was ~0.5 Å/s. The structures of the films were characterized by θ-2θ x-ray diffraction (XRD) using a 12 kW Rigaku diffractometer (model D/MAX-RC). Rutherford back scattering (RBS) measurements were carried out to detect the possible existence of magnetic impurities as well as to determine the In and Mo composition ratio. The mag-netic properties were investigated using an alternating gradient magnetometer. We have also carried out magnetoresistance (MR) measurements to investigate any spin-dependent transport behavior. Additionally R-T(resistance versus temperature) and Hall effect measurements have been carried out to investigate the correla-tion between magnetism and electric conductivities.
The films were found to reveal room-temperature ferromagnetism, where the magnetization was increased with Mo doping. The saturation magnetization became 6.6 emu/cc for the 5% Mo-doped IO, resulting in about 5 times enhancement in comparison to the undoped film. And we have investigated the correlation between the ferromagnetism and electric conductivity of Mo-doped (3 ~ 10 at%) In2O3 films. It is believed that the enhance-ment in the magnetization is ascribed to the magnetic moments of Mo ions occupied in the In sites.
We found that the saturation magnetization increases with Mo concentrations until it reaches the maximum at 7 at% Mo doping (7.1 emu/ cm3) and then, it rapidly decreases for a higher doping concentration. Interestingly, the resistance reveals an opposite behavior with the Mo concentration, showing a minimum value at 7 at% Mo doping. The higher resistivity samples show semiconducting behavior, whereas the lower resistivity ones reveal metallic behavior. The saturation magnetization linearly increases with the charge carrier concentration. We believe the ferromagnetism in Mo-doped In2O3 is ascribed to the indirect exchange interaction mediated by charge carrier.
우리는 몰리브덴이 도핑된 (0 ~ 10%) 인듐 산화물 필름의 자기적 특성을 조사했다. 필름은 3utorr를 기본 압력으로 한 높은 진공 챔버에서 펄스레이저 증착 (PLD) 기법을 사용하여 450 °C 에서 (100) MgO 기판위에 제작 되었다. 0% (99.99 % 순도), 3 %, 5 % 몰리브덴이 도핑된 (99.95 % 순도) In2O3 타겟들이 필름을 준비하는 데 사용되었는데, 타겟들을 0.3 J/cm2의 통합 강도와 2 Hz에서 KrF excimer 레이저 (λ = 248 nm) 를 사용하여 식각했다. 타겟은 미립자 형성을 줄이기 위해 증착하는 동안 회전되었다. 증착속도는 ~ 0.5 Å/s 였고 필름의 구조는 12 kW 인 Rigaku diffractometer (모델 D / MAX-RC)를 사용하여 θ-2θ X-선 회절 (XRD)에 의해 측정되었다. 러더포드 산란 (RBS) 실험은 원자들의 구성 비율을 결정뿐만 아니라 자성 불순물의 존재 가능성을 감지하기 위해 실시되었다. 그리고 AGM을 사용하여 자성의 존재를 조사했다. 우리는 또한 스핀의존 전송 거동을 조사하기 위해 magnetoresistance (MR) 측정을 했고 R-T (저항 대 온도)와 홀효과 측정을 통해 자력과 전기 전도도 간의 상관 관계를 조사했다.
모든 필름은 상온에서 강자성을 가지고 있고, 몰리브덴이 도핑된 정도에 따라 자화값이 증가하였다. 5% 몰리브덴 도핑된 필름의 포화 자화는 0% 몰리브덴 도핑된 필름에 비해 약 5 배 향상되어서 6.6 emu/cc 이었다. 우리는 이런 자화값의 향상이 인듐 사이트를 치환해서 들어간 몰리브덴 이온이 가지고 있는 자기모멘트 때문이라 생각한다.
그리고 포화 자화값은 몰리브덴이 7% 까지 도핑 (7% : 7.1 emu/cc)될 때까지는 증가하지만 그 이상에서는 오히려 빠르게 감소한다는 것을 발견되었다. 그런데, 저항은 7% 몰리브덴 도핑 된 필름에서 최소 값을 보여주는, 즉 몰리브덴 농도와 반대인 거동을 보여준다. 또한, 낮은 저항의 필름들은 금속적 행동을, 반면 높은 저항을 가진 필름들은 반도체적 거동을 보여준다. 포화자화값이 전하자유전자 농도와 함께 선형적으로 증가하는데 이로부터 몰리브덴 도핑된 인듐 산화물의 강자성은 자유전자에 의해 매개된 교환 상호 작용에 의한 것이라 결론 내릴 수 있었다.