Ferromagnetism of polydispersed zinc oxide doped with iron.pdf В последние годы наблюдается большой интерес к ферромагнетизму оксида цинка в связи с тем, что наличие высокотемпературного ферромагнетизма у прозрачного широкозонного полупроводника ZnO делает его перспективным материалом для спинтроники. В работах [1, 2] теоретически предсказывалось, что легирование ZnO такими металлами, как Cr, Fe, Co, Ni, приведет к возникновению в нем элементов ферромагнитного упорядочения. Полученные экспериментальные результаты показали, что у легированного этими металлами ZnO (обычно доля магнитных ионов составляла до 10 %) возникает как парамагнитное [3-5], так и ферромагнитное поведение [6-8]. При этом методы и условия получения образцов влияли на их пара- или ферромагнетизм. Как отмечается в обзоре [9], наличие или отсутствие высокотемпературного ферромагнетизма у ZnO контролируется дефектами кристаллического строения и его причины до сих пор остаются во многом непонятными. Поэтому представленное в настоящей работе исследование ферромагнетизма полидисперсного ZnO, легированного железом в процессе совместного химического осаждения гидроксидов цинка и железа и последующей термообработки в воздушной и (или) водородосодержащей атмосфере, является актуальным. Химическое соосаждение проводили из водных растворов солей ZnCl2•2H2O и FeCl3•6H2O. В растворы добавляли водный раствор 25 %-го NH4OH при постоянном перемешивании до достижения pH = 7. Величина легирования составляла 5 % Fe. После отмывки осадок центрифугировали, сушили 24 ч при температуре 80 ºC, а затем отжигали 1 ч при 800 ºC на воздухе (и) или в потоке водорода при 400 ºC 15 мин (220 мл/мин), в качестве газа-носителя использовался азот (200 мл/мин). Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов выполняли на дифрактометре Rigaku Miniflex 600 с использованием CuKα-излучения в интервале 10-90º (2θ) с шагом сканирования 0.02º и скоростью съемки 2 град/мин. Идентификацию дифракционных максимумов проводили с помощью базы данных JSPDS. Магнитные свойства изучались на вибрационном магнетометре MPMS XL5, Quantum Design. Рис. 1. Кривая намагничивания образца № 1: точки - эксперимент; сплошная линия - обработка методом наименьших квадратов по линейному закону По данным РФА все полученные образцы являются хорошо закристаллизованными соединениями, после отжига на воздухе содержат фазы ZnO (гексагональная структура вюрцита), Fe4O5, Fe3O4, а после отжига в потоке водорода - ZnO (гексагональная структура вюрцита), FeO3, Fe3O4, следы чистых металлов Zn и α-Fe. И в том и в другом случае наблюдается изменение параметров элементарной ячейки ZnO, что говорит о том, что легирующие ионы встраиваются в кристаллическую решетку ZnO, образуя твердые растворы. Образование ферромагнитных фаз, вероятно, происходит при превышении порога растворимости железа в ZnO. Кривые намагничивания для образцов, отожженных на воздухе (образец № 1), в потоке водорода после отжига на воздухе (образец № 2) и в потоке водорода без отжига на воздухе (образец № 3) приведены на рис. 1-3. Измерения проведены при комнатной температуре. Зависимость для образца № 1 имеет вид, типичный для парамагнитного материала, а зависимости образцов № 2 и 3 - для ферромагнитного материала с заметным вкладом от парапроцесса. Кривые намагничивания образцов № 2 и 3 могут быть описаны формулой σ(Н) = σferro(Н) + χpara Н. (1) Здесь σferro(Н) - вклад от ферромагнитной составляющей; χpara - вклад от парамагнитной или суперпарамагнитной составляющих. Сплошными линиями на рис. 2 и 3 представлены оценки вкладов от ферромагнитной составляющей. Основные параметры расчетной кривой σferro(Н) и оценки величины χpara приведены в таблице. Причиной парамагнитного поведения образца № 1, содержащего ферромагнитные фазы, вероятно, является их размер, не превышающий 10 нм, что, согласно работе [10], приводит к появлению у ферромагнитных наночастиц суперпарамагнитных свойств. После отжига в водороде в образцах № 2 и 3 наблюдается появление α-Fe, которое, наряду с остаточным парамагнетизмом, приводит к появлению у них ферромагнитных свойств. Минимальное количество водорода, необходимое для восстановления оксидов железа, определяется из условий равновесия реакций при температуре процесса. Рис. 2. Кривая намагничивания образца № 2: точки - эксперимент; сплошная линия - расчет ферромагнитного вклада без парапроцесса Рис. 3. Кривая намагничивания образца № 3: точки - эксперимент; сплошная линия - расчет ферромагнитного вклада без парапроцесса Параметры кривых намагничивания Образец № 1 № 2 № 3 χpara106, см3/г 16 48 30 σS, Гссм3/г 0 1.92 1.50 НС, Э 0 ≈ 260 ≈ 260 σr, Гссм3/г 0 ≈ 0.5 ≈ 0.4

Скачать электронную версию публикации