Fabricación y caracterización magnética del sistema en bloque 𝑍�𝑛�₁ˍₓ𝑉�ₓ𝑂�

Abstract

Actualmente los semiconductores magnéticos diluidos (DMS, por sus siglas en inglés) han generado gran interés en la fabricación de nuevos dispositivos electrónicos como memorias no volátiles, sensores magnéticos y aislantes ópticos, sin embargo, la posibilidad de controlar el magnetismo por campos eléctricos y magnéticos aún está en creciente investigación. De acuerdo a primeros estudios, el estado ferromagnético del semiconductor 𝑍𝑛𝑂 es estabilizado cuando se dopa este sistema con metales de transición, como el Vanadio en porcentajes de 5-25%; desafortunadamente, muy pocos trabajos han sido reportados. Muestras en bloque de 𝑍𝑛₁ˍₓ𝑉ₓ𝑂, fueron fabricadas en atmósfera de aire por el método de Reacción de Estado Sólido cuya estructura cristalina se estudió por difracción de Rayos-X (DRX) encontrando una fase mayoritaria tipo Wurtzita correspondiente al 𝑍𝑛𝑂 y fases secundarias asociadas a diferentes Vanadatos de Zinc. Debido al corrimiento de los picos de difracción respecto a los del 𝑍𝑛𝑂 puro cuando es dopado, se evidencia una variación de los parámetros de red cuando el porcentaje de Vanadio es incrementado, además el aumento de la temperatura de calcinación tiene efectos estructurales importantes, ya que durante el cambio de temperatura de 650 a 800ºC las fases identificadas se ven modificadas abruptamente, repercutiendo en las propiedades físicas del material obtenido. Se midieron las propiedades magnéticas del material hallando las curvas de magnetización versus campo magnético (𝑀−𝐻) observando un comportamiento típico de los materiales ferromagnéticos cuando el material fue dopado al 12.5% de Vanadio. Cuando se caracterizó el material mediante la medida de magnetización en función de la temperatura (𝑀(𝑇)) no se evidencian transiciones de fase del estado ferromagnético al paramagnético dentro del intervalo de 5 a 320K, lo que sugiere que la temperatura de Curie es superior a 320K disminuyendo con la temperatura de calcinación. Se obtuvo el espectro de absorción UV-Visible y UV-Visible de Reflectancia Difusa mostrando la banda de absorción típica del 𝑍𝑛𝑂. Se observa una disminución en las propiedades de absorción en el visible, sin embargo se refleja hasta el 85% de este tipo de frecuencias, además usando el modelo de Kubelka-Munk del espectro de Reflectancia Difusa, se halló el gap de energía el cual resultó ser muy cercano al valor estándar del 𝑍𝑛𝑂, 3.30 eV, indicando que aunque propiedades magnéticas fueron generadas cuando el material es dopado, las propiedades eléctricas aunque disminuyen un poco cuando la temperatura de calcinación aumenta de 650 a 800ºC, aún se mantiene en el rango de un semiconductor típico. Finalmente, con la ayuda de estudios previos, se sintetizó 𝑍𝑛𝑂 por el Método de Precipitación Controlada (MPC); las etapas involucradas en este proceso (re-dispersión y calcinación) fueron analizadas con Espectroscopia Infrarroja con Trasformada de Fourier (FTIR). El análisis de difracción de Rayos-X (DRX) de los polvos sintetizados, muestra todos los picos característicos del 𝑍𝑛𝑂 sin ninguna fase secundaria. Luego, usando el método de Reacción de Estado Sólido se fabricaron muestras con el 𝑍𝑛𝑂 sintetizado con diferentes porcentajes de dopaje y se caracterizaron magnéticamente las muestras obtenidas con un 7.5% de dopaje mostrando que el comportamiento en las curvas de magnetización versus campo magnético es muy parecido a las muestras fabricadas con 𝑍𝑛𝑂 comercial. El estudio de sus propiedades ópticas indica que el tamaño de partícula obtenido por este método es muy pequeño, ya que efectos de scattering que aparecieron en las muestras fabricadas con 𝑍𝑛𝑂 comercial, no aparecen en el ZnO sintetizado. Además, el gap de energía se mantiene dentro del rango de un semiconductor, sin mostrar grandes variaciones respecto al 𝑍𝑛𝑂 comercial.