Структурні та магнітні властивості нанокристалів ZnO:Mn, отриманих методом ультразвукового піролізу аерозолю
DOI:
https://doi.org/10.15330/pcss.27.3.487-492Ключові слова:
нанокристали, оксид цинку, домішка Mn, ультразвуковий піроліз аерозолю, дефекти кристалічної гратки, рентгенівська дифракція, киснева вакансія, феромагнітні властивостіАнотація
Досліджено нанопорошки ZnO:Mn з концентрацією Mn 2, 4 та 8 ат.%, отримані методом ультразвукового піролізу аерозолю при різних температурах синтезу. Структура наночастинок досліджувалась методами рентгенівської дифракції. Магнітні властивості вимірювалися за допомогою вібраційного магнітометра. Встановлено, що збільшення концентрації домішки Mn приводить до зменшення розмірів нанокристалів та кристалічної якості зразків. При низьких температурах синтезу Т = 6500С у зразках при концентрації Mn > 4 ат.% фіксуються вторинні фази, що свідчить про низький рівень розчинності домішки Mn в ZnO. Показано, що у цих зразках об’єм елементарної комірки є значно меншим у порівнянні з монокристалічним ZnO. Це є ознакою наявності у кристалічній гратці великої кількості власних дефектів, які обумовлюють наявність деформаційних напружень. При синтезі зразків при Т = 750˚С об’єм комірки є більшим ніж у монокристалічного ZnO. Це є наслідком більш ефективного процесу легування домішкою Mn під час синтезу та зменшення кількості дефектів у зразках. При цьому межа розчинності збільшується, що дозволяє отримувати однофазні зразки з концентрацією Mn > 8ат.%. Встановлено, що отримані зразки мали феромагнітні властивості при кімнатній температурі. Намагніченість Мs у зразках зменшувалась при збільшенні концентрації Mn та температури синтезу. Максимальну намагніченість (Мs = 0,035 Гс·см3/г) мають зразки отримані при температурі Т = 550ºС з концентрацією Mn 2ат.%,, що відповідає максимальному стану дефектності зразків.
Посилання
S.A. Wolf, D.D. Awschalom, et. al., Spintronics: A Spin-Based Electronics Vision for the Future, J. Science, 294, 1488 (2001); https://doi.org/10.1126/science.1065389.
P. Sharma, A. Gupta, K. Rao at al., Ferromagnetism above room temperature in bulk and transparent thin films of Mn-doped ZnO. J. Nature Materials, 2, 673 (2003); https://doi.org/10.1038/nmat984.
R.K. Sharma, R.K. Dutta, R.J. Choudhary et al., Doping, strain, defects and magneto-optical properties of Zn1−xMnxO nanocrystals, J. CrystEngComm, 15, 22, 1 (2013); https://doi.org/10.1039/C3CE27107B.
S. Chattopadhyay, K. Neogi, A. Sarkar et al., Defects induced ferromagnetism in Mn doped ZnO, J. Magn. Mag. Mater, 323, 363 (2011); https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2010.09.042.
T.V. Manh, T. L. Phan, B. W. Lee, et al., Ferromagnetism in Zn1−xMnxO nanoparticles prepared by mechanical milling, IEEE Trans Magn, 51, 2400504 (2015); https://doi.org/10.1109/TMAG.2015.2438064.
D. Rubi, J. Fontcuberta, A. Calleja, L. Aragonès, X.G. Capdevila, M. Segarra, Reversible ferromagnetic switching in ZnO:(Co, Mn) powders. Phys. Rev., B 75, 155322, (2007); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.155322.
B. B. Straumal, A. A. Mazilkin, S. G. Protasova, et al., Ferromagnetic properties of the Mn-doped nanograined ZnO films, J. Appl. Phys. 108, 073923 (2010); https://doi.org/10.1063/1.3486044.
М.Ф. Буланий, В.Ю. Воровський, О.В. Коваленко, О.В. Хмеленко, Синтез нанопорошків ZnO та ZnO:Mn методом ультразвукового піролізу аерозолю, Журнал нано-та електронної фізики, 8, 2, 02043 (2016); https://doi.org/10.21272/jnep.8(2).02043.
V. Yu. Vorovsky, A.V. Kovalenko, A.I. Kushneryov, O.V. Khmelenko, Preparation of zincoxide nanopowders doped with manganese which have ferromagnetic properties at room temperature, J. Functional Materials, 25, 1, 1 (2018); https://doi.org/10.15407/fm25.01.061.
P. Singh, A. Kaushal, D. Kaur, Mn-doped ZnO nanocrystalline thin films prepared by ultrasonic spray pyrolysis, Journal of Alloys and Compounds, 471,11 (2009); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.03.123.
M. Shatnawi, A.M. Alsmadi, I. Bsoul, , et al., Influence of Mn doping on the magnetic and optical properties of ZnO nanocrystalline particles, J. Results in Physics, 6, 1064 (2016); https://doi.org/10.1016/j.rinp.2016.11.041.
S.A. Ahmed, Structural, optical, and magnetic properties of Mn-doped ZnO samples, J. Materials Science, Physics, 7, 604 (2017); https://doi.org/10.1016/j.rinp.2017.01.018.
A. Layek, G. Mishra, A. Sharma, et., al,. A Generalized Three-Stage Mechanism of ZnO Nanoparticle Formation in Homogeneous Liquid Medium, J. Phys. Chem., C 116, 24757 (2012); https://doi.org/10.1021/jp211613b.
C. Jagadish, S.J. Pearton, Zinc oxide bulk, thin films and nanostructures: processing, properties, and applications ( Elsevier, 2011).
A. Kalita, M. Kalita, Size dependence of lattice parameters in ZnO nanocrystals, J. Applied Physics A, 121, 2, 521 (2015); https://doi.org/10.1007/s00339-015-9434-3.
P. Zhan at al., Oxygen vacancy–induced ferromagnetism in un-doped ZnO thin films, Journal of Applied Physics, 111, 3, 033501 (2011); http://dx.doi.org/10.1063/1.3679560.
J.M.D. Coey, M. Venkatesan, C.B. Fitzgerald, Donor impurity band exchange in dilute ferromagnetic oxides, J. Nat. Mater, 4, 173 (2005); https://doi.org/10.1038/nmat1310.
S. J. Guan, N. Nasu, Y. Zhang, et al., Oxygen vacancy and Mn2+ induced ferromagnetism in Mn-doped ZnO thin films, J. Sci. China Tech. Sci., 62 (2019); https://doi.org/10.1007/s11431-018-9463-6.
O.V. Kovalenko, V.Yu. Vorovsky, O.V.Khmelenkо, The effect of heat treatment on the magnetic properties of ZnO:Mn nananocrystals obtained by ultrasonic aerosol pyrolysis, J. Functional Materials, 27, 4, 687 (2020); https://doi.org/10.15330/pcss.23.3.569-574.
M. Bououdina, K. Omri, M. El-Hilo, et., al., Structural and Magnetic properties of Mn-doped ZnO Nanocrystals, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 53, 107 (2014); http://dx.doi.org/10.1016/j. physe.2013.08.024.
M.A. García, M. L. Ruiz-Gonza´lez, A. Quesada, et al., Interface Double-Exchange Ferromagnetism in the Mn-Zn-O System: New Class of Biphase Magnetism, J. Phys. Rev. Lett., 94, 217206 (2005); http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.217206.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 V.Yu. Vorovsky, O.V. Kovalenko
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
