中文摘要：

CrO2磁性半金属薄膜独特的磁电特性使其可能广泛应用于制备高性能磁电阻器件(磁自旋阀或磁隧道结)。然而，CrO2的稳定性以及CrO2 层与非磁性层的界面特性非常关键。本课题拟采用化学气相沉积法在TiO2单晶衬底的表面外延生长CrO2薄膜并通过Ti、Ru、Sn掺杂稳定其金红石结构，深入考察掺杂元素以及掺杂浓度对金红石结构的CrO2的稳定性的影响，表面高掺杂浓度对稳定薄膜表面结构的作用，考察掺杂元素以及掺杂浓度对CrO2薄膜的电磁性能的影响。利用第一性原理研究元素掺杂对CrO2磁结构及电子结构的影响，建立研究界面附近原子磁矩相对取向的界面模型。项目的开展可促进CrO2基磁电阻器件的设计、制备及广泛应用。

结论摘要：

CrO2 为磁性半金属，在自旋电子器件中具有广阔的应用前景。然而CrO2化学性质不稳定，容易形成Cr2O3。CrO2的这种不稳定性严重阻碍了其在自旋电子器件的应用。本研究的重点在于采用掺杂的方式提高CrO2的热稳定性，并在此基础上探索掺杂以及缺陷对其磁性能与输运性能的影响，研究的最终目的在于寻求一种提高CrO2热稳定性且保持其半金属特性的方法。从这个目的出发我们做了一下工作1）成功制备出不同取向的CrO2以及Sn掺杂CrO2外延薄膜，薄膜纯度高、厚度均匀。摸索出一套完备的工艺参数，可以较好地控制薄膜的厚度和掺杂浓度。2）对CrO2以及Sn掺杂CrO2的热稳定以及磁性能进行了研究，发现Sn掺杂可以大大改善CrO2 的稳定性，且可以有效调控CrO2 薄膜的磁性能。3）观测分析了不同温度退火前后CrO2/TiO2的界面特性，发现CrO2最容易在界面处分解，Sn掺杂可以很好的维护界面稳定性。4）采用第一性原理方法研究了氧空位、间隙氧原子以错位原子对CrO2 的电子结构的影响，发现CrO2 中最易形成的是氧空位，当氧空位浓度不太高时，CrO2仍保持半金属性。5）比较了Sn、Ti以及Ru掺杂CrO2 的电子结构、缺陷形成能以及磁晶各项异性能，发现Ti掺杂可以获得较高的掺杂浓度且在不易改变CrO2的半金属性，是最佳的掺杂元素。6）研究了CrO2薄膜的Gilbert阻尼系数以及掺杂对阻尼系数的影响，发现CrO2薄膜的阻尼系数并非各向同性，且可通过薄膜取向、掺杂浓度进行调控。以上这些研究内容与本项目的计划基本吻合，所获得的结果已达到了本项目设定的目标，后续相关研究仍将会继续进行。