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

Abstract

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. _________________________________________________________________________________ ABSTRACT

In this work, the structural and magnetic caracterization of Ni, Co and Cr doped SnO2 nanoparti- cles prepared by the Pechini's method is presented. X-ray di®raction data have been analyzed by the Rietveld re¯nement method. The analysis indicates the formation of only the tetragonal phase for the undoped SnO2 nanoparticles. After the doping, the tetragonal phase remains until 10% of metal. Disregarding the metal transition type the particle size shows a decrescing tendency with the metal concentration in the range below 10%. For Ni and Co doped SnO2 nanoparticles, the formation of a second phase has been determined above 10%, which corresponds to the NiO and Co3O4 compound, respectively. Magnetic measurements of the undoped sample (SnO2) indicate the occurrence of magnetic order, which was assigned to the ferromagnetic interactions between electrons trapped in oxygen vacancies, whose density is extremely high in nanoparticulated systems. It was determined that the doping with Ni and Cr favors the ferromagnetism in concentration below 3%. Above that concentration a paramagnetic behavior is observed, which sinal increases with the increase of dopant concentration. In samples doped with Co, the ferromagnetism disappears even in concentrations of 0.4%. In order to explain those results a Core-Shell model type is proposed. In that framework and in lower doping concentrations the dopant di®uses mainly towards the core of the particle, but when the concentration is above the solid solution limit, a surface segregation stars to occur, which should be the responsible for the paramagnetic behavior. Raman spectroscopy measurements carried out in Ni-doped SnO2 nanoparticles con¯rm the for- mation of the tetragonal phase for Ni concentrations below 7.5%. By the analysis, peaks related to surface disorder have been determined, and the thickness of the layer has been estimated to be d » 1:3nm. DC magnetic measurements of NiO nanoparticles help us to determine the occurrence of thermal relaxation in the magnetic moments of the nanoparticles. The nature of those relaxations has been explored carrying out AC susceptibility measurements. The obtained results indicate a possible formation of spin-glass phase that coexists with an antiferromagnetic order.