Caracterização magnética de filmes de ZnO dopados com Fe

Abstract

O ZnO é um dos promissores candidatos a semicondutor magnético diluído e tem vindo a despertar um elevado interesse na comunidade científica, particularmente para aplicações na área da spintrónica. Este projecto teve como objecto de estudo, filmes finos de ZnO crescidos sobre a safira e dopados com Fe. As amostras estudadas apresentam concentrações nominais de Fe de 5%, 10%, 20%, 25% e 35%. As amostras foram caracterizadas estruturalmente por difracção de raios-X, a qual revelou a boa qualidade cristalina dos filmes finos dopados com concentrações baixas de Fe. À medida que a concentração de Fe aumenta, os picos do ZnO alargam e desaparecem. Foram identificados picos de difracção correspondentes à safira (substrato), ao ZnO e à espinela ZnFe2O4. Na caracterização magnética das amostras foram utilizadas as técnicas de ressonância magnética e magnetometria por dispositivo supercondutor de interferência quântica. A magnetometria por dispositivo supercondutor de interferência quântica forneceu informações quanto ao tipo de ordenamento magnético presente nos filmes finos. Constatou-se a existência de um ordenamento ferromagnético para temperaturas superiores à temperatura ambiente. Para temperaturas muito baixas foi observado um comportamento do momento magnético que é compatível com a existência da espinela ZnFe2O4 antiferromagnética. A ressonância magnética demonstrou que as amostras revelam comportamento ferromagnético pelo menos até à temperatura ambiente, o que se encontra de acordo com a técnica anterior. Foi identificada a formação de uma camada ferromagnética interpretada como a espinela invertida (ZnFe2O4) para concentrações elevadas de Fe. Os parâmetros de anisotropia magnética desta fase foram determinados. Os resultados obtidos pela caracterização estrutural encontram-se de acordo com os resultados obtidos na caracterização magnética.

ABSTRACT: Zinc oxide is one of the promising candidates for a diluted magnetic semiconductor and has developed an increasing interest among the scientific community, particularly for applications in spintronic devices. Fe-doped ZnO thin films were the object of this study. The samples had nominal concentrations of 5%, 10%, 20%, 25% and 35% of Fe. X-ray diffraction was used to structurally characterize the thin films. This analysis revealed their good crystalline quality for low concentrations of Fe. As the concentration increased, the XRD peacks became broad and disappeared. It was possible to identify the diffraction peacks corresponding to the sapphire (substrate), ZnO and the spinel ZnFe2O4. In order to magnetically characterize the samples, the techniques of superconducting quantum interference device magnetometry and magnetic resonance were employed. The superconducting quantum interference device magnetometry gave information on the magnetic ordering of the thin films. The samples exhibited ferromagnetic ordering above room temperature. For very low temperatures a behaviour of the magnetic moment with the temperature which is compatible with the existence of the antiferromagnetic ZnFe2O4 spinel was found. Magnetic resonance revealed that the samples exhibited ferromagnetic behaviour at least up to room temperature, which was in agreement with the superconducting quantum interference device magnetometry. The formation of a ferromagnetic layer, ascribed to the ZnFe2O4 inverted spinel phase, was concluded. The magnetic anisotropy parameters of this phase were determined. The results obtained by structural and magnetic characterization were in perfect agreement.