Structural, optical and magnetic studies of the thin films and nanoparticles of ZnCoO prepared by pulsed laser ablation

Editorial Board PCSS Journal; Ігор Столярчук; Олег Кузик; Ireneusz Stefanuik; Олеся Даньків; Андрій Попович; Андрій Столярчук

doi:10.15330/pcss.27.2.409-419

Автор(и)

Ігор Столярчук Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка, Дрогобич, Україна
Олег Кузик Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка
Ireneusz Stefanuik University of Rzeszow
Олеся Даньків Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка
Андрій Попович Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка
Андрій Столярчук Дрогобицький державний педагогічний університет імені Івана Франка

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.27.2.409-419

Ключові слова:

ZnCoO, магніторозчинений напівпровідник, імпульсна лазерна абляція в рідинах PLAL, тонка плівка, наночастинка, оптичне поглинання, фотолюмінісценція, електронний парамагнітний резонанс

Анотація

Тонкі плівки та наноструктури Zn_1-xCo_хO із вмістом кобальту до 10% були отримані методом імпульсної лазерної абляції. Проведені структурні дослідження методом Х-променевої дифракції свідчать що всі отримані зразки кристалізуються в гексагональній кристалічній структурі типу вюрциту з переважною орієнтацією вздовж площини (002). Жодних інших піків, що відповідають кластерам кобальту або оксиду кобальту, не виявлено. Атомна силова мікроскопія (АСМ) та скануюча електронна мікроскопія (СЕМ) використовувалась для характеристики отриманих зразків. Як для тонких плівок так і для наночастинок Zn_1-xCo_хO збільшення концентрації легуючої домішки кобальту призводить до зменшення ширини забороненої зони, що зумовлено проявом s,p–d обмінних взаємодій. У довгохвильовій області спектра спостерігається додаткове поглинання, яке зумовлене d–d переходами в тетраедрично координованих іонах Co²⁺. У спектрах фотолюмінесценції було виявлено чотири смуги випромінювання, які інтерпретуються екситонними переходами поблизу краю фундаментального поглинання, а також наявністю міжвузлового цинку, вакансій кисню та іншими домішками та дефектами не тільки в об'ємі, але й на поверхнях досліджуваних зразків. Проведені дослідження спектрів електронного парамагнітного резонансу підтвердили феромагнітне впорядкування в тонких плівках та наночастинках Zn_1-xCo_xO за кімнатної температури. Одним з найбільш ймовірних механізмів виникнення феромагнітного впорядкування є модель зв'язаного магнітного полярона.

Посилання

T. Dietl, H. Ohno, F. Matsukura, J. Cibert, and D. Ferrand, Zener Model Description of ferromagnetism in Zinc-Blende magnetic semiconductors, Science 287, 1019 (2000); https://doi.org/10.1126/science.287.5455.1019.

Q. Wang, Q. Sun, P. Jena, and Y. Kawazoe, Carrier-mediated ferromagnetism in N codoped (Zn,Mn)O(101 ̅0)thin films, Physical Review B, 70, (2004); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.052408.

S. W. Jung, S. -j. An, G.-C. Yi, C. U. Jung, S.-I. Lee, and S. Cho, Ferromagnetic properties of Zn1−xMnx O epitaxial thin films, Applied Physics Letters, 80, 4561 (2002); https://doi.org/10.1063/1.1487927.

D. Anbuselvan, S. Nilavazhagan, A. Santhanam, N. Chidhambaram, K. V. Gunavathy, T. Ahamad, and S. M. Alshehri, Room temperature ferromagnetic behavior of nickel-doped zinc oxide dilute magnetic semiconductor for spintronics applications, Physica E Low-Dimensional Systems and Nanostructures, 129, 114665 (2021); https://doi.org/10.1016/j.physe.2021.114665.

Y. Belghazi, M. A. Aouaj, M. E. Yadari, G. Schmerber, C. Ulhaq-Bouillet, C. Leuvrey, S. Colis, M. Abd-Lefdil, A. Berrada, and A. Dinia, Elaboration and characterization of Co-doped ZnO thin films deposited by spray pyrolysis technique, Microelectronics Journal, 40, 265 (2008); https://doi.org/10.1016/j.mejo.2008.07.051.

S. Lardjane, G. Merad, N. Fenineche, A. Billard, and H. I. Faraoun, Ab initio study of ZnCoO diluted magnetic semiconductor and its magnetic properties, Journal of Alloys and Compounds, 551, 306 (2012); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.09.120.

R. Hanafin and S. Sanvito, Oxygen defect origin of ferromagnetism in ZnCoO, Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 322, 1209 (2009); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2009.05.030.

D. Akcan, Effect of type and concentration of cobalt precursor on structural, optical and defect properties of ZnCoO nanoparticles, Materials Research Bulletin, 139, 111254 (2021); https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2021.111254.

G. Murtaza, Y. Abbas, and F. Ahmed, Theoretical and experimental study of structural, electronic and optical properties of cobalt-doped zinc oxide, Physica B Condensed Matter, 712, 417283 (2025); https://doi.org/10.1016/j.physb.2025.417283.

B. P. Pamplin, Molecular Beam Epitaxy (1980); https://doi.org/10.1016/C2013-0-03272-0.

A. C. Jones and P. O’Brien, Atomic Layer Epitaxy (1997). https://doi.org/10.1002/9783527614639.ch6.

M. P. Soriaga, J. Stickney, L. A. Bottomley, and Y.-G. Kim, Thin Films: Preparation, Characterization, Applications (2002). https://doi.org/10.1007/978-1-4615-0775-8.

R. K. Singh and J. Narayan, Pulsed-laser evaporation technique for deposition of thin films: Physics and theoretical model, Physical Review. B, Condensed Matter, 41, 8843 (1990); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.8843.

J. H. Kim, H. Kim, D. Kim, Y. E. Ihm, and W. K. Choo, Magnetic properties of epitaxially grown semiconducting Zn1−xCoxO thin films by pulsed laser deposition, Journal of Applied Physics, 92, 6066 (2002); https://doi.org/10.1063/1.1513890.

A. I. Savchuk, A. Perrone, A. Lorusso, I. D. Stolyarchuk, O. A. Savchuk, and O. A. Shporta, ZnMnO diluted magnetic semiconductor nanoparticles: Synthesis by laser ablation in liquids, optical and magneto-optical properties, Applied Surface Science, 302, 205 (2013); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.09.177.

Pulsed Laser Deposition of Thin Films (2006). https://doi.org/10.1002/0470052120.

Z. Yan and D. B. Chrisey, Pulsed laser ablation in liquid for micro-/nanostructure generation, Journal of Photochemistry and Photobiology C Photochemistry Reviews, 13, 204 (2012); https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2012.04.004.

A. V. Simakin, V. V. Voronov, N. A. Kirichenko, and G. A. Shafeev, Nanoparticles produced by laser ablation of solids in liquid environment, Applied Physics A, 79, 1127 (2004); https://doi.org/10.1007/s00339-004-2660-8.

R. Sabry, M. Fikry, O. S. Ahmed, A. R. N. Zekri, and A. F. Zedan, Laser-Induced synthesis of pure zinc oxide nanoflakes, Journal of Physics Conference Series, 1472, 012005 (2020); https://doi.org/10.1088/1742-6596/1472/1/012005.

M. S. Shakeri et al., Pulsed laser engineering of composite submicron particles in colloidal systems: A high-performance catalyst for ethanol fuel cells, Composites Part B Engineering, 299, 112457 (2025); https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112457.

P. K. Samanta, S. K. Patra, and P. R. Chaudhuri, Violet emission from flower-like bundle of ZnO nanosheets, Physica E Low-Dimensional Systems and Nanostructures, 41, 664 (2008); https://doi.org/10.1016/j.physe.2008.11.015.

Ol. A. Savchuk, A. I. Savchuk, I. D. Stolyarchuk, P. M. Tkachuk, and V. I. Garasym, Generation of diluted magnetic semiconductor nanostructures by pulsed laser ablation in liquid, Proceedings of SPIE, the International Society for Optical Engineering/Proceedings of SPIE, 9809, 98090Y (2015); https://doi.org/10.1117/12.2228919.

S. Chakraborty, A. K. Kole, and P. Kumbhakar, Room temperature chemical synthesis of flower-like ZnO nanostructures, Materials Letters, 67, 362 (2011); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2011.10.018.

P. Ramasamy and J. Kim, Facile and fast synthesis of flower-like ZnO nanostructures, Materials Letters, 93, 52 (2012); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2012.11.042.

J. H. Kim, H. Kim, D. Kim, S. G. Yoon, and W. K. Choo, Optical and magnetic properties of laser-deposited Co-doped ZnO thin films, Solid State Communications, 131, 677 (2004); https://doi.org/10.1016/j.ssc.2004.06.033.

K. T. R. Reddy, V. Supriya, Y. Murata, and M. Sugiyama, Effect of Co-doping on the properties of Zn1−xCoxO films deposited by spray pyrolysis, Surface and Coatings Technology, 231, 149 (2012); https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.05.064.

S. Colis, H. Bieber, S. Bégin-Colin, G. Schmerber, C. Leuvrey, and A. Dinia, Magnetic properties of Co-doped ZnO diluted magnetic semiconductors prepared by low-temperature mechanosynthesis, Chemical Physics Letters, 422, 529 (2006); https://doi.org/10.1016/j.cplett.2006.02.109.

J. A. Gaj and J. Kossut, Introduction to the Physics of Diluted Magnetic Semiconductors (2010). https://doi.org/10.1007/978-3-642-15856-8.

A. D. Yoffe, Low-dimensional systems: Quantum size effects and electronic properties of semiconductor microcrystallites (zero-dimensional systems) and some quasi-two-dimensional systems, Advances in Physics, 51, 799 (2002); https://doi.org/10.1080/00018730110117451.

M. G. Bawendi, M. L. Steigerwald, and L. E. Brus, The quantum mechanics of larger semiconductor clusters (“Quantum dots”), Annual Review of Physical Chemistry, 41, 477 (1990); https://doi.org/10.1146/annurev.pc.41.100190.002401.

S. Husain, L. A. Alkhtaby, I. Bhat, and W. Khan, Effect of pH variation on structural and optical properties of Zn0.95Co0.05O nanoparticles, Journal of Luminescence, 160, 311 (2014); https://doi.org/10.1016/J.JLUMIN.2014.12.024.

B. Panigrahy, M. Aslam, and D. Bahadur, Aqueous synthesis of Mn- and Co-Doped ZnO nanorods, The Journal of Physical Chemistry C, 114, 11758 (2010); https://doi.org/10.1021/jp102163b.

F. Xu, Z. -y. Yuan, G. -h. Du, M. Halasa, and B. -l. Su, High-yield synthesis of single-crystalline ZnO hexagonal nanoplates and accounts of their optical and photocatalytic properties, Applied Physics A, 86, 181 (2006); https://doi.org/10.1007/s00339-006-3745-3.

V. Gokulakrishnan, S. Parthiban, K. Jeganathan, and K. Ramamurthi, Investigation on the effect of Zr doping in ZnO thin films by spray pyrolysis, Applied Surface Science 257, 9068 (2011); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.05.102.

R. Elilarassi and G. Chandrasekaran, Influence of Co-doping on the structural, optical and magnetic properties of ZnO nanoparticles synthesized using auto-combustion method, Journal of Materials Science Materials in Electronics, 24, 96 (2012); https://doi.org/10.1007/s10854-012-0893-4.

H. Zeng, G. Duan, Y. Li, S. Yang, X. Xu, and W. Cai, Blue luminescence of ZNO nanoparticles based on Non‐Equilibrium Processes: defect origins and emission controls, Advanced Functional Materials, 20, 561 (2010); https://doi.org/10.1002/adfm.200901884.

F. L. Xian, L. H. Xu, X. X. Wang, and X. Y. Li, Crystallographic, optical and magnetic properties of Co‐doped ZnO thin films synthesized by sol gel route, Crystal Research and Technology, 47, 423 (2012); https://doi.org/10.1002/crat.201100549.

J. Ding, X. Yan, and Q. Xue, Study on field emission and photoluminescence properties of ZnO/graphene hybrids grown on Si substrates, Materials Chemistry and Physics, 133, 405 (2012); https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2012.01.051.

R. H. Webb, Electron-Spin-Resonance line shape in spherical metal particles, Physical Review, 158, 225 (1967); https://doi.org/10.1103/PhysRev.158.225.

J. P. Joshi and S. V. Bhat, On the analysis of broad Dysonian electron paramagnetic resonance spectra, Journal of Magnetic Resonance, 168, 284 (2004); https://doi.org/10.1016/j.jmr.2004.03.018.

A. Abragam and B. Bleaney, Electron Paramagnetic Resonance of Transition Ions (1970).

I. Stefaniuk, B. Cieniek, and I. Virt, Magnetic properties of zinc-oxide composite doped with transition metal ions (Mn, Co, Cr), Current Topics in Biophysics, 33, 221 (2010); http://ctbo.home.amu.edu.pl/issue33supA/files/Abstract-v33supA_221.pdf.

M. Kuzma, I. Stefaniuk, and M. Bester, Theoretical models and EPR study of Cr based diluted magnetic semiconductors, Journal of Physics Conference Series, 213, 012035 (2010); https://doi.org/10.1088/1742-6596/213/1/012035.

F. J. Brieler, P. Grundmann, M. Fröba, L. Chen, P. J. Klar, W. Heimbrodt, H. K. Von Nidda, T. Kurz, and A. Loidl, Comparison of the magnetic and optical properties of Wide‐Gap (II,MN)VI nanostructures confined in mesoporous silica, European Journal of Inorganic Chemistry, 2005, 3597 (2005); https://doi.org/10.1002/ejic.200500366.

J. M. D. Coey, A. P. Douvalis, C. B. Fitzgerald, and M. Venkatesan, Ferromagnetism in Fe-doped SnO2 thin films, Applied Physics Letters, 84, 1332 (2004); https://doi.org/10.1063/1.1650041.

J. M. D. Coey, M. Venkatesan, and C. B. Fitzgerald, Donor impurity band exchange in dilute ferromagnetic oxides, Nature Materials, 4, 173 (2005); https://doi.org/10.1038/nmat1310.