Ferromagnetismo en el sistema ZnO hidrogenado

ODIN VAZQUEZ ROBAINA; ARLES GIL REBAZA; CABRERA, A. FABIANA; RODRÍGUEZ TORRES, CLAUDIA E.

Conferencia; Reunión Anual de la Asociación Física Argentina; 2020

FAMAF UNC

En las últimas dos décadas, el descubrimiento de sólidos nominalmente no magnéticos que muestran orden magnético inducido por algún tipo de defectos ha aumentado continuamente [1]. La influencia de defectos en la activación del orden magnético ha atraído el interés de científicos experimentales y teóricos desde la observación de magnetismo tanto en materiales monoelementos como el grafito u óxidos binarios como ZnO, TiO2 y otros óxidos puros o dopados [2-4]. En este trabajo se reporta evidencia directa de ferromagnetismo en polvos submicrométricos de ZnO hidrogenados [5] y se discute el origen del ferromagnetismo. La hidrogenación se realizó en un reactor sellado mediante tratamientos térmicos a alta presión. Observamos que la respuesta ferromagnética a temperatura ambiente puede activarse y desactivarse respectivamente mediante recocido térmico en atmósferas de H2 y aire. A partir del análisis de espectros XANES y de XMCD se observó que el hidrógeno se incorporó a la estructura ZnO actuando como un donante poco profundo que transfiere electrones a la banda de conducción (Zn 4s). Las mediciones Raman evidenciaron distorsiones claras en los entornos químicos de los átomos Zn asociadas con la formación de defectos. Nuestros resultados sugieren que el magnetismo observado es un fenómeno superficial probablemente relacionado con la formación de enlaces H-Zn (u O) sobre las superficies polares (0001) del ZnO. El origen del ferromagnetismo observado se explica a través de un modelo de hidrogenación de superficies polares de ZnO. Los resultados experimentales han sido complementado con estudios teóricos basado en la Teoría de la Funcional Densidad (DFT), donde se han calculado los sitios de adsorción preferencial del H sobre la superficie ZnO(0001), propiedades magnéticas del sistema y su dependencia con el nivel de cubrimiento de H sobre ZnO(0001), ancho de banda prohibida (band-gap) como también las frecuencias vibracionales Raman. Se ha encontrado una buena correlación entre los resultados experimentales y teóricos.REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS1.Esquinazi, P. D., Hergert, W., Stiller, M., Botsch, L., Ohldag, H., Spemann, D., … Ben Hamed, H. (2019). Defect Induced Magnetism in Non‐Magnetic Oxides: Basic Principles, Experimental Evidence and Possible Devices with ZnO and TiO2. Physica Status Solidi (b). doi:10.1002/pssb.201900623.2.Lorite, I.; Straube, B.; Ohldag, H.; Kumar, P.; Villafuerte, M.; Esquinazi, P.; Rodríguez Torres, C. E.; Perez De Heluani, S.; Antonov, V. N.; Bekenov, L. V.; et al. (2015). Advances in methods to obtain and characterise room temperature magnetic ZnO. Appl. Phys. Lett., 106, No. 082406.3.Markus Stiller et al. (2020). “Titanium 3d ferromagnetism with perpendicular anisotropy in defective anatase”, PHYSICAL REVIEW B 101, 014412 DOI: 10.1103/PhysRevB.101.014412.4.Sanchez, N.; Gallego, S.; Cerdá, J.; Muñoz, M. C. Tuning surface metallicity and ferromagnetism by hydrogen adsorption at the polar ZnO(0001) surface. Phys. Rev. B. 2010, 81, No. 115301.5. Vázquez-Robaina, O. et al. “Room-Temperature Ferromagnetism Induced by High-Pressure Hydrogenation of ZnO”, J. Phys. Chem. C 2019, 123, 19851-19861, DOI: 10.1021/acs.jpcc.9b04902.