Estudio y producción de polvos de óxidos semiconductores magnéticos diluidos y desarrollo de un magnetómetro basado en el efecto Kerr

• Autores: Bilovol, Vitaliy
• Año de publicación: 2010
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Cabrera, Alejandra Fabiana; Martínez, Norberto Horacio
• Materia: Ciencias Exactas; Física; semiconductores magneticos; ferromagnetismo; magnetómetro; Ferromagnéticos; Semiconductores; Óxidos
• Institución: Universidad Nacional de La Plata

La búsqueda de semiconductores magnéticos con temperaturas de Curie por encima de temperatura ambiente obtuvo un nuevo impulso en la frontera de los milenios cuando a partir de cálculos teóricos se predijo que tales materiales pueden ser obtenidos usando óxidos semiconductores dopándolos con metales de transición dando origen a nuevo tipo de materiales llamados óxidos semiconductores magnéticos diluidos (O-SMD). La respuesta de la comunidad de física experimental no tardó en llegar y comenzó la búsqueda de métodos de preparación para la obtención de estos materiales. Hoy en día la variedad de métodos de preparación de O-SMD es amplia y abarca la obtención de materiales en todas sus formas como por ejemplo películas delgadas y polvo. Los objetivos de la primera parte de este trabajo fueron explorar nuevas rutas de preparación de los óxidos semiconductores TiO₂ y SnO₂ dopados con Fe y contribuir a la comprensión de los mecanismos físicos responsables del comportamiento magnético observado. Para ello se efectuó un estudio estructural, magnético e hiperfino de los mismos. La investigación experimental de los arreglos atómicos locales en los O-SMD obtenidos por reacción en estado sólido (molienda mecánica) se efectuó analizando diferentes muestras en distintos estados de aleación (evolución temporal con la molienda mecánica) y estudiando las características de los sistemas obtenidos a partir de diferentes precursores y con distintas concentraciones para el dopante. También se emplearon diferentes atmósferas de preparación y en los tratamientos térmicos posteriores. Además, se investigó el sistema Sn(Fe)O₂ preparado por síntesis química. El estudio de la evolución de los sistemas explorados aquí se efectuó mediante espectroscopía de efecto Mössbauer sobre ⁵⁷Fe y medidas magnéticas (magnetización en función del campo magnético aplicado, magnetización en función de temperatura y medidas de susceptibilidad-ac). Se complementó la información obtenida mediante técnicas estructurales tales como difracción de rayos X (DRX) y espectroscopía de absorción de rayos X (XAS: X-rays abpsortion spectroscopy). En este trabajo se muestra que ha sido posible incorporar Fe en la estructura de los semiconductores (con la estructura de rutilo) por los métodos utilizados. La evolución temporal de Sn_0.9Fe_0.1O₂ presentó principalmente dos etapas bien diferenciadas. En la primera etapa la mezcla de los precursores muestra que los átomos de hierro no llegan a incorporarse totalmente al semiconductor quedándose parcialmente en la fase de hematita y formándose la fase de hierro bcc para tiempos de molienda inferiores a 2 horas. En la segunda etapa para tiempos de trabajo mecánico más prolongados (a partir de 5 horas) los átomos de hierro se incorporan a la estructura de rutilo no observándose por la técnica de DRX otras fases. La espectroscopía Mössbauer ⁵⁷Fe a temperatura ambiente (TA) de esta serie de moliendas revela la ausencia de un orden magnético en los átomos de hierro que se encuentran en la estructura del SnO₂. Un ordenamiento magnético parcial se observó a temperaturas inferiores a temperatura ambiente. Se realizaron tratamientos térmicos (TT) a la muestra molida durante 2 h en presencia y ausencia de oxígeno para estudiar el rol de vacancias de oxígenos en el comportamiento magnético del material. El TT en ambos casos reveló la segregación de precursores con formación de una fase ternaria tipo espinela que es responsable mayoritariamente del ferromagnetismo observado. Para las muestras preparadas por la síntesis química por vía húmeda se logró incorporar hasta un 20 % at. de Fe nominal en SnO₂. Todas las técnicas aplicadas al análisis de estas muestras muestran que las mismas presentan comportamiento paramagnético a TA y solamente a muy bajas temperaturas se ordenan parcialmente antiferromagnéticamente. El dopaje de SnO₂ con hierro en fase wurtzita (FeO) en atmosfera de argón se estudió tanto en función de la concentración del dopante (para tiempos de molienda de 10 hs) como en función del tiempo de trabajo mecánico (para 10 % at. de Fe). Para tiempos cortos de molienda (hasta 2.5 h) en los espectros Mössbauer a TA se observa la fase bcc Fe(Sn) mientras que la mayoría de los restantes átomos de hierro se encuentran en estado paramagnético. Para tiempos superiores se observa una interacción magnética muy distribuida (10 % del área espectral) que se atribuye a hierros incorporados a la estructura de rutilo y que presentan un ordenamiento antiferromagnético mientras los demás iones permanecen en estado paramagnético. El sistema TiO² fue dopado con hierro en la fase hematita y molido en atmósfera de aire en función de la concentración del dopante (durante 12 horas). Los átomos de hierro en la estructura del semiconductor son paramagnéticos a TA ordenándose parcialmente a bajas temperaturas tanto ferro- como antiferromagnéticamente. Utilizando como precursores O-SMD sintetizados por aleado mecánico o síntesis química, en los cuales se haya logrado la total incorporación de los átomos de Fe a la estructura del óxido, sería interesante producir películas delgadas a fin de comparar las propiedades magnéticas de las mismas con las obtenidas en los precursores en forma de polvo. Como uno de los pasos previos y a fin de tener un método de caracterización magnética eficaz y rápido que nos permita independizarnos de la señal proveniente del sustrato se realizó, dentro del trabajo de la Tesis, la construcción de un magnetómetro basado en el Efecto Kerr (MEK) magneto-óptico. Este magnetómetro es una poderosa herramienta para el estudio de películas magnéticas delgadas, indispensable en muchos laboratorios modernos de magnetismo. La segunda parte de la Tesis se dedica a la construcción y puesta a punto de un MEK en su diseño básico. Su adecuada funcionalidad se probó comparando ciclos de histéresis obtenidos con el MEK con otros obtenidos mediante el uso de equipos convencionales (por ejemplo SQUID: Superconductor Quantum Interference Device o VSM: Vibrant Sample Magnetometer).
Doctor en Ciencias Exactas, área Física
Universidad Nacional de La Plata
Facultad de Ciencias Exactas