Estudo das propriedades estruturais e magnéticas de nanopartículas de SnO2 dopadas com Ni, Co e Cr

Abstract

Presenta la caracterización estructural y magnética de nanopartículas de SnO2 dopadas con Ni, Co y Cr preparadas por el método de Pechini. Los datos de difracción de rayos X se han analizado mediante el método de refinamiento de Rietveld. El análisis indica la formación de solo la fase tetragonal para las nanopartículas de SnO2 sin dopar. Tras el dopaje, la fase tetragonal permanece hasta un 10% de metal. Sin tener en cuenta el tipo de transición de metal, el tamaño de partícula muestra una tendencia decreciente con la concentración de metal en el rango por debajo del 10%. Para las nanopartículas de SnO2 dopadas con Ni y Co, se ha determinado la formación de una segunda fase por encima del 10%, que corresponde al compuesto de NiO y Co3O4, respectivamente. Las mediciones magnéticas de la muestra no dopada (SnO2) indican la ocurrencia de orden magnético, que fue asignado a las interacciones ferromagnéticas entre electrones atrapados en vacantes de oxígeno, cuya densidad es extremadamente alta en sistemas nanoparticulados. Se determinó que el dopaje con Ni y Cr favorece el ferromagnetismo en concentraciones inferiores al 3%. Por encima de esa concentración se observa un comportamiento paramagnético, cuya señal aumenta con el aumento de la concentración de dopante. En muestras dopadas con Co, el ferromagnetismo desaparece incluso en concentraciones de 0,4%. Para explicar esos resultados se propone un modelo de tipo Core-Shell. En ese marco y en concentraciones de dopaje más bajas, el dopante se difunde principalmente hacia el núcleo de la partícula, pero cuando la concentración está por encima del límite de la solución sólida, se produce una segregación superficial, que debería ser la responsable del comportamiento paramagnético. Las mediciones de espectroscopía Raman llevadas a cabo en nanopartículas de SnO2 dopadas con Ni confirman la formación de la fase tetragonal para concentraciones de Ni por debajo del 7,5%. Mediante el análisis, se han determinado los picos relacionados con el desorden de la superficie y se ha estimado que el espesor de la capa es d »1: 3 nm. Las mediciones magnéticas de CC de nanopartículas de NiO nos ayudan a determinar la ocurrencia de relajación térmica en los momentos magnéticos de las nanopartículas. La naturaleza de esas relajaciones se ha explorado realizando mediciones de susceptibilidad CA. Los resultados obtenidos indican una posible formación de fase de vidrio de espín que coexiste con un orden antiferromagnético.

Neste trabalho, pós nanopartículados de SnO2 contendo Ni, Co e Cr preparados pelo método de precursores poliméricos (método de Pechini) foram caracterizados estrutural e magneticamente. Através de um refinamento do Rietvel dos dados fornecidos por difração de raios-X, determinou-se a presença de uma única fase na amostra sem dopagem. Esta fase persistiu nas amostras dopadas com até 10% de metal. Nesta região de concentrações e nos três tipos de metais observou-se um decrescimento no tamanho da nanopartícula. Em amostras dopadas com concentrações de Ni e Co acima de 10%, observou-se a formação de duas fases: uma correspondente a SnO2 e outra ao composto NiO ou Co3O4, respectivamente. Medidas magnéticas na amostra de SnO2 não dopada indicaram a ocorrência de ordem magnético, a qual pode ter a sua origem na interação ferromagnética de elétrons armadilhados em vacâncias de oxigênio, cuja densidade é muito alta neste sistema nanoparticulado. O ingresso de Ni e Cr favorecem o ferromagnetismo na região de concentrações menores que ~3%. Já acima desta concentração, observou-se uma sinal paramagnética que cresce com a concentração de dopante. Nas amostras dopadas com Co, o ferromagnetismo desaparece já em concentrações de 0.4%. Para explicar estes resultados, se propus um modelo tipo “Core-Shell“. Em baixas concentrações de metal, o ingresso do dopante é principalmente no núcleo da partícula, já quando a concentração atinge o limite da solução sólida, começa a ocorrer segregação dos átomos de metal de transição na superfície da partícula, a qual seria responsável pelo sinal paramagnética. Medidas de espectroscopia Raman em amostras de SnO2 dopadas com Ni, confirmaram a formação da fase tetragonal na região de concentrações abaixo de 7.5%. Foram determinados picos associados à desordem superficial cuja espessura estimada é de d ~ 1:3nm. Através de medidas de magnetização DC foi determinada a ocorrência de relaxação térmica de momentos magnéticos na amostra de NiO. A natureza desta relaxação foi explorada por medidas de susceptibilidade AC, cujos resultados indicam uma possível fase de vidro de spin que coexiste com uma ordem antiferromagnética.