Magnetic moment of Mn2+ ions that are responsible for the ferromagnetic properties of ZnO:Mn nanocrystals

О.В. Коваленко; В.Ю. Воровський

doi:10.15330/pcss.24.4.650-655

Автор(и)

О.В. Коваленко Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара, Дніпро, Україна
В.Ю. Воровський Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара, Дніпро, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.4.650-655

Ключові слова:

магнітний момент, ультразвуковий піроліз аерозолю, термічна обробка, водень

Анотація

Приведено розрахунок магнітного моменту іонів Mn²⁺ в нанокристалах ZnO:Mn (2 ат%.) отриманих методом ультразвукового піролізу аерозолю, які відповідають за феромагнітні властивості. З метою дослідження впливу структурних дефектів на значення магнітного моменту проведено термічну обробку зразків на повітрі. Розрахунок виконувався на основі аналізу кривих наманагніченості та спектрів ЕПР. Показано, що дефектний стан нанокристалів ZnO:Mn має значний вплив на магнітний момент. Значення магнітного моменту для синтезованого зразку значно перевищують значення магнітного моменту в порівнянні з подібними нанокристалами отриманими іншими методами. Зроблено припущення, що такий результат обумовлений наявністю у намагніченості дефектних зразків додаткової складової. Окрім парамагнетизму іонів Mn²⁺ може існувати парамагнетизм дефектної оболонки нанокристалів ZnO:Mn. Після усунення структурних дефектів шляхом термічної обробки зразків на повітрі та у газовій суміші з воднем визначено магнітний момент для іонів Mn²⁺, які формують феромагнітні властивості нанокристалів. Величина цього магнітного моменту дорівнює 0,02µ_B, де µ_B – мангітон Бору. Такі іони, згідно моделі зв’язаних магнітних поляронів, входять до складу феромагнітних кластерів та приймають участь у формуванні феромагнітних властивостей зразків.

Ключові слова: магнітний момент, ультразвуковий піроліз аерозолю, термічна обробка, водень.

Посилання

T. Dietl, H. Ohno, Dilute ferromagnetic semiconductors: Physics and spintronic structures, Rev. Mod. Phys., 86, 187 (2014); https://doi.org/10.1103/RevModPhys.86.187.

K. Sebayang, D. Aryanto, S. Simbolon et al., Effect of sintering temperature on the microstructure, electrical and magnetic properties of Zn0.98 Mn0.02O material, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 309, 012119 (2018); https://doi.org/10.1088/1757-899X/309/1/012119.

M. Mustaqima, C. Liu, ZnO-based nanostructures for diluted magnetic semiconductor, Turkish Journal of Physics, 38 (3), 429 (2014); https://doi.org/10.3906/fiz-1405-17.

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

A.M. Abdel Hakeem, Room-temperature ferromagnetism in Zn1−xMnxO, J. Magn. Magn. Mater., 322 (6), 709 (2010); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2009.10.046.

M. El-Hilo, A.A. Dakhel, Structural and magnetic properties of Mn-doped ZnO powders, J. Magn. Magn. Mater., 323, 2202 (2011); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2011.03.031.

O. V. Kovalenko, M. F. Bulaniy, V. Y. Vorovskiy, O.V. Khmelenkо, Photoluminescence and EPR spectrum of ZnO:Mn nanocrystals, Journal of Physics and Electronics 26 (1), 69 ( 2018); https://doi.org/10.15421/331811.

O.V. Kovalenko, V.Yu. Vorovsky, O.V. Khmelenkо, The effect of heat treatment on the magnetic properties of ZnO:Mn nanocrystals obtained by ultrasonic aerosol pyrolysis, Functional Materials 27(4), 687 (2020); https://doi.org/10.15407/fm27.04.687.

A. Abdel-Galil, M.R. Balboul, A. Sharaf, Synthesis and characterization of Mn-doped ZnO diluted magnetic semiconductors, Phys B, 477, 20 (2015); http://dx.doi.org/10.1016/j.physb.2015.08.001.

O.V. Brodovyj, et al., Magnetic Deformation Effect, Usp. Fiz. Met., 2, 131 (2001); https://doi.org/10.15407/ufm.02.02.131.

O.V. Kovalenko, V.Yu. Vorovsky, O.V. Khmelenko, O.I. Kushnerov, Effect of short-term heat treatment in the hydrogen on magnetic properties of ZnO:Mn nanocrystals, Journal Physics and Chemistry of Solid State, 23 (3), 569 (2022); https://doi.org/10.15330/pcss.23.3.569-574.

E. V. Lavrov, F. Herklotz, and J. Weber, Identification of two hydrogen donors in ZnO, Phys. Rev. B 79, 165210 (2009); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.165210.