稀磁半导体(DMS)是实现自旋电子器件的材料基础。借助这种材料可以实现电子自旋的注入、控制和输运。特别是最近发现的具有室温铁磁性的宽禁带稀磁性氧化物体系，借助这些氧化物材料可以实现室温下的自旋过滤作用，将使自旋电子器件的实现实用化，成为自旋电子学领域的研究热点。当然，要实现实用化的自旋电子器件，最首要的任务就是要开发出一种既具有半导体的带隙又具有磁性材料的自旋子带劈裂的新材料，为此，制备出具有高自旋极化度和室温铁磁性的铁磁性半导体材料是非常重要的。传统的铁磁性半导体的制备方法是在现有的半导体材料中进行过渡金属元素(TM)的掺杂，使之以替位掺杂的形式进入半导体的晶格，通过与磁性离子之间的铁磁藕合作用，使得半导体材料在原有的半导体性质的基础上，进一步产生铁磁性。目前，对于氧化物稀磁半导体，研究最多的是ZnO和TiO2体系，但不同研究组所报道的结果却完全不相同甚至矛盾，因此，直至现在，关于过渡金属或磁性原子掺杂的氧化物体系中是否具有本征铁磁性的问题仍然没有定论。　　 本文的主要工作是TiO2基稀磁半导体单晶薄膜的分子束外延生长及其性能研究。首先超高真空分子束外延设备生长Mn：TiO2薄膜可以有效的避免铁磁性杂质相或是沉淀物，所制备单晶薄膜结构上的单一性和成分上的纯净性是其他制备方式生长的多晶或非晶样品所无法比拟的；另外由于所制备的薄膜结构单一、成分纯度高，使我们更能探究其铁磁性的真正来源。我们探讨了样品铁磁性与微观结构之间的关系，并试图解决以下问题：Mn：TiO2薄膜中能否实现高温本征铁磁性?铁磁性的来源是什么?具体工作包括以下几个方面：　　 ⑴外延生长的过程中薄膜结晶质量对磁性的影响。　　 我们用分子束外延生长出高质量的Mn：TiO2薄膜，对结晶质量不同的Mn：TiO2薄膜系列样品的磁性质进行初步研究，并试图揭示实验观察到的样品磁性的起因。实验研究表明，通过控制适当的工艺条件，能够制备出结晶质量不同的Mn：TiO2薄膜，通过原位监测的HREED以及XRD测试表明快生长的Mn：TiO2薄膜结晶质量较差，具有双相结构(金红石和锐钛矿)，慢生长的Mn：TiO2薄膜结晶质量很好，只有一个沿(004)方向锐钛矿结构。Mn元素的价态采用XPS进行测定，结晶质量差的Mn的XPS峰值出现较大的移动，这可能是由于Mn与缺陷相互作用的结果。样品的磁性质使用量子超导干涉测试仪(SQUID)测量。发现结晶质量差的Mn：TiO2薄膜表现为室温铁磁性，而结晶质量相对完美的表现顺磁性，我们把这种差别归因于Mn：TiO2薄膜中氧空位浓度不同造成的。实验结果表明完美的晶相以及氧氛围充足的生长条件下能破坏室温铁磁性。对样品室温铁磁性的起因，我们运用束缚磁极化子理论进行了解释，认为Mn离子掺杂和氧空位的存在是诱导铁磁性出现的两个关键因素。　　 ⑵(Mn，N)共掺TiO2薄膜的铁磁性研究。　　 等离子体源辅助的分子束外延制备了(Mn，N)共掺的TiO2薄膜，利用XRD，XPS，SQUID等方法研究了Mn：TiO2薄膜和(Mn，N)共掺的TiO2薄膜样品。XRD，XPS测试表明Mn，N原子分别替代TiO2基质中的Ti原子和O原子，同时从XRD和XPS的测试结果中可以看出没有任何第二相出现。SQUID结果表明(Mn，N)共掺的TiO2薄膜样品具有室温铁磁性，而Mn：TiO2薄膜表现为顺磁特性。(Mn，N)共掺的TiO2薄膜的铁磁性是由于Mn,N原子的共掺杂可以通过Mn3d和N2p之间的强烈的杂化，把原TiO2：Mn体系中近邻Mn原子之间的反铁磁耦合转变为铁磁性耦合。　　 ⑶Mn：TiO2电子输运特性以及磁特征。　　 使用等离子体源辅助的分子束外延设备在LaAlO3(LAO)衬底上成功制备出P型Mn：TiO2稀磁半导体薄膜。拉曼、XRD以及XPS测试表明制备的P型Mn:TiO2薄膜稀磁半导体薄膜具有单相结构，Mn成功掺入到TiO2晶格中。通过Hall效应测量证明Mn：TiO2薄膜是P型电导的。结构和电学测量也表明我们测到的Mn：TiO2稀磁半导体薄膜的磁性是Mn:TiO2薄膜的内禀性质。我们认为Mn：TiO2薄膜的磁性起源于形成受主(空穴)束缚磁极化子，在束缚磁极化子里面自旋的空穴和Mn相互作用。　　 ⑷Pt/Mn：TiO2/SrTiO3：Nb/Pt阻变存储器。　　 本实验制备了Pt/Mn：TiO2/SrTiO3：Nb/Pt阻变存储器件，该器件具备良好的电阻开关特性。在没有加外偏压前，器件在没展现出开关行为，一直处于高阻态。然后对器件逐渐施加不同幅度的脉冲偏压，随着脉冲偏压幅度的增大，从器件的Ⅰ-Ⅴ曲线可以看出，电阻开关幅度越来越明显。电阻开关Ⅰ-Ⅴ曲线变得越来越明显。基于器件结构和测量得到的相关实验结果，我们用氧空位移动导致的界面处肖特基势垒陷阱理论比较合理的解释了这一现象。