Magnetizam u oksidnim nanomaterijalima
Magnetism in oxide nanomaterials
Докторанд
Paunović, Novica M.Ментор
Popović, Zoran V.Чланови комисије
Dohčević-Mitrović, ZoranaDamnjanović, Milan
Spasojević, Đorđe
Метаподаци
Приказ свих података о дисертацијиСажетак
U ovoj disertaciji je proučavan fenomen feromagnetnog uređenja na sobnoj
temperaturi u nanokristalnim uzorcima CeO2 dopiranog gvožđem i prazeodimijumom.
Razređeni magnetni oksidi, tj. oksidi dopirani malim procentom magnetnih elemenata,
a koji pokazuju feromagnetno uređenje na sobnoj temperaturi, u poslednjoj deceniji
predstavljaju jednu od najaktuelnijih oblasti istraživanja u fizici čvrstog stanja. Ovi
materijali su viđeni kao veoma pogodni materijali za upotrebu u spintronici. S druge
strane, istraživanja su takođe stimulisana činjenicom da je fenomen feromagnetizma u
ovim materijalima po mnogo čemu atipičan i u velikoj meri preispituje dosadašnje
poznavanje magnetizma. Posebno je interesantna činjenica da se feromagnetizam u
ovim materijalima javlja samo kada su oni u nano-fazi, tj. kod uzoraka u obliku tankih
slojeva ili nanočestica, dok se u voluminoznim uzrocima ne javlja. Takođe, istraživanja
pokazuju da je poreklo feromagnetnog uređenja povezano sa izraženim prisustvom
defekat...a i kiseoničnih vakancija u nanouzorcima. Mogući mehanizmi uspostavljanja
feromagnetnog uređenja u ovim materijalima se i dalje istražuju, pri čemu model
vezanog magnetnog polarona ili mehanizam transfera naelektrisanja u ovom trenutku
deluju kao najizgledniji kandidati.
U disertaciji su proučavani uzorci čistog i CeO2 dopiranog gvožđem različitih
valenci Fe2+/Fe3+: 2
0.88 0.12 2- Ce Fe O d
+ , 2 3
0.88 0.06 0.06 2- Ce Fe Fe O d
+ + , 3
0.88 0.12 2- Ce Fe O d
+ , kao i CeO2
dopiranog prazeodimijumom, Ce1-xPrxO2-d sa sadržajem 0≤x≤0.4. Uzorci su dobijeni
metodom samopropagirajuće sinteze na sobnoj temperaturi. Dobijeni nanokristalni
uzorci pokazuju postojanje feromagnetnog uređenja na sobnoj temperaturi. Za
ispitivanje i karakterizaciju uzoraka su korišćena magnetna merenja, Ramanova,
infracrvena, XPS i Mesbauereova spektroskopija, AFM merenja i fotoluminescencija.
U slučaju Fe2+/Fe3+ dopiranih CeO2 nanokristala, magnetnim merenjima je
dobijeno da uzorci pokazuju osobine superparamagnetizma. Krive magnetizacije u
funkciji magnetnog polja na sobnoj temperaturi pokazuju vrlo malo koercitivno polje i
mogu se fitovati otežinjenom Lanževenovom funkcijom. Na osnovu merenja ZFC i FC
krivih i zavisnosti koercitivnog polja sa temperaturom je dobijeno da je temperatura
blokiranja oko 20 K. Raman merenja su pokazala da F2g mod na 457 cm-1 pokazuje
neočekivano omekšavanje i asimetrično širenje pri Fe dopiranju i porastu valence od
Fe2+ ka Fe3+, što se može objasniti efektom sprezanja elektrona i molekulskih vibracija.
Ponašanje Ramanovog F2g moda ukazuje da dolazi do delimične delokalizacije Ce 4f 1 i
Fe 3d elektrona, i njihovog transfera na Ce(Fe)-O(VO)-Ce(Fe) veze, dovodeći do
promene konstante sile i rezultujući u omekšavanju i širenju Ramanovog moda.
Korišćenjem Alenove formule, određena je konstanta elektron-fonon sprezanja za
nedopirane i Fe-dopirane uzorke, kao i gustina stanja na Fermijevom nivou. Na osnovu
dobijene vrednosti gustine stanja na Fermijevom nivou se može zaključiti da je
Stonerov kriterijum za feromagnetizam višestruko ispunjen, što sve znači da je zonska
teorija feromagnetizma, odnosno model transfera naelektrisanja, primenjiv u
Fe-dopiranim CeO2 uzorcima, pri čemu se uspostavljeno feromagnetno uređenje, usled
nanometarskih dimenzija kristalita, ispoljava u formi superparamagnetizma.
U slučaju Pr-dopiranih CeO2 nanokristala, magnetnim merenjima je
ustanovljeno da uzorci pokazuju feromagnetizam na sobnoj temperaturi, pri čemu
saturaciona magnetizacija drastično opada pri dopiranju. Istraživanja su pokazala da se
Pr ugrađuje supstitucionalno u celom ispitivanom opsegu, delimično u obliku Pr4+ a
delimično u obliku Pr3+ jona, pri čemu relativni udeo Pr3+ jona raste sa Pr dopiranjem.
Takođe je ustanovljeno da na površini nanokristala dolazi do segregacije Pr, pri čemu je
ta segregacija najizrazitija za male koncentracije dopiranja, kao i da se većina Pr na
površini nanokristala nalazi u obliku Pr3+ jona. Istraživanja su pokazala da pri Pr
dopiranju sadržaj kiseoničnih vakancija raste. Obzirom da kod razređenih magnetnih
oksida porast sadržaja kiseoničnih vakancija tipično dovodi do jačanja feromagnetizma,
ustanovljeno opadanje saturacione magnetizacije je bilo iznenađujuće. Da bi se ono
objasnilo predloženo je objašnjenje bazirano na mehanizmu izmene preko F centara.
Nedopirani nanokristali CeO2 na sobnoj temperaturi ispoljavaju feromagnetizam koji se
uspostavlja posredstvom kiseoničnih vakancija sa jednim zarobljenim elektronom (F+
centara). Prisustvo Pr3+ jona u tankom površinskom sloju nanokristala, gde su
kiseonične vakancije uglavnom smeštene, dovodi do drastične degradacije
feromagnetizma. Do ovoga dolazi usled formiranja kompleksa kao što su Pr3+-VO-Ce3+
ili Pr3+-VO-Pr3+, lokalizacije elektrona na vakancijama i kreiranja kiseoničnih vakancija
bez zarobljenih elektrona (F0 centara), ili sa dva zarobljena elektrona (F2+ centara), koje
ne doprinose feromagnetizmu. Formiranje F2+ i F0 centara smanjuje koncentraciju F+
centara i narušava feromagnetizam u Pr-dopiranim CeO2 uzorcima.
Rezultati istraživanja prikazani u disertaciji pokazuju da feromagnetizam u
nanokristalnim oksidima može izrazito da zavisi od dopirajućeg elementa i njegovog
valentog stanja, kao i od forme kiseoničnih vakancija i njihove mogućnosti odnosno
nemogućnosti da prenose feromagnetizam.
Факултет:
Универзитет у Београду, Физички факултетДатум одбране:
04-07-2013Пројекти:
- Наноструктурни мултифункционални материјали и нанокомпозити (RS-MESTD-Integrated and Interdisciplinary Research (IIR or III)-45018)
- Физика наноструктурних оксидних материјала и јако корелисаних система (RS-MESTD-Basic Research (BR or ON)-171032)