Evidence of progressive Fe2+ to Fe3+ oxidation in Fe2+ -doped ZnO nanoparticles

Abstract

Los semiconductores magnéticos diluidos en óxido han recibido considerable atención en diversos campos científicos y tecnológicos porque combinan las propiedades optoelectrónicas del semiconductor anfitrión con las propiedades magnéticas del metal dopante. En este informe, se presenta el papel del dopaje con Fe en las propiedades estructurales, vibratorias, ópticas, hiperfinas y magnéticas de las nanopartículas de ZnO dopadas con Fe (Zn1−xFexO) sintetizadas mediante un método de precursor polimérico. Nuestros hallazgos muestran que el tamaño del cristalito disminuye de ~23 nm (x = 0,000) a ~8 nm (x = 0,200) a medida que aumenta el contenido de Fe(x). A partir del análisis de datos de XRD, nuestros resultados sugieren una solución sólida isovalente entre iones Fe2+ y Zn2+ para un menor contenido de Fe (hasta 0,075) y una solución aliovalente (iones Fe3+ y Zn2+) para un mayor contenido de Fe. La teoría de Elliot se utilizó para evaluar la energía de la banda prohibida de Eg ~ 3,4 eV y una energía de unión del excitón de Eb ~ 66 meV para la muestra no dopada. El pico excitónico muestra una tendencia a ampliarse con el aumento del contenido de Fe, lo que sugiere un aumento del desorden en la matriz de ZnO. Además, el análisis de datos FTIR sugiere que la longitud del enlace Zn-O aumenta con el contenido de Fe hasta 0,075 y disminuye por encima de este valor. La relación de intensidad de los modos O–H y Zn–O muestra una discontinuidad a medida que aumenta el contenido de Fe. Los espectros de Mössbauer a temperatura ambiente realizados para muestras con x = 0,050; 0,075 y 0,200 muestran que el desplazamiento de isómeros y la división del cuadrupolo aumentan con el contenido de Fe, de acuerdo con las propiedades estructurales. Las mediciones magnéticas sugieren que los iones de hierro se estabilizan como Fe2+ en muestras con bajo contenido de Fe y luego como Fe3+ en muestras con alto contenido de Fe. Además, se determinó la aparición de interacciones antiferromagnéticas de corto alcance, que se vuelven más fuertes a medida que aumenta el contenido de Fe.