Год издания: 2024
Ключевые слова: диоксид циркония, ферромагнетизм, дуговой разряд низкого давления, остаточные напряжения, поверхностные эффекты
Аннотация: На сегодняшний день известны разбавленные магнитные полупроводники с широкой запрещенной зоной, легированные переходными металлами, такие как ZnO, TiO2, SnO2, HfO2 и ZrO2. Они показали ферромагнитные свойства при комнатной температуре выше температуры Кюри за счет сильного обменного взаимодействия между локализованными «d» электронПоказать полностьюами перехода металлов и электронов проводимости. Однако ферромагнетизм при комнатной температуре также наблюдается в нелегированных полупроводниках на основе оксидов, который может возникать из-за различных состояний собственных дефектов, таких как вакансии, междоузлия и кластеры. Хотя ферромагнетизм при комнатной температуре был обнаружен во многих немагнитных наноструктурных материалах оксидов металлов без какого-либо легирования, происхождение ферромагнетизма все еще остается спорным. Благодаря широкой запрещенной зоне, термической стабильности и высокой диэлектрической проницаемости ZrO2 имеет многообещающее будущее в материалах спинтроники и изучается в качестве затворного диэлектрика в полевых транзисторах. Поэтому изучение магнитных свойств нелегированного ZrO2 имеет большое научное и практическое значение. Из-за отсутствия ферромагнитных примесей, споры о ферромагнетизме наноструктурных материалов из немагнитных оксидов металлов связывают с тем, что ферромагнетизм является внутренним явлением. Существуют различные мнения о существовании ферромагнетизма. Одни считают, что ферромагнетизм в таких материалах возникает из-за примесного загрязнения ферромагнетиками. Другие, что ферромагнетизм возникает за счёт обменных взаимодействий неспаренных электронных спинов, возникающих из поверхностных кислородных вакансий. Или за счет поляризованной примесной зоны, образованной дефектными электронами. В связи с этим, нами предлагается синтез наночастиц ZrO2 в плазме дугового разряда низкого давления. Синтез оксидов в плазме дугового разряда низкого давления проводится путем испарения металла с последующим окислением частиц металла в кислородсодержащей плазме. Образование нанопорошков оксидов металлов с минимальным размером частиц (размером 3–20 нм) достигается при взаимодействии паров металла с кислородом, за счет чего происходит быстрое снижение температуры. Интенсивное охлаждение не только тормозит рост частиц, но и увеличивает скорость образования зародышей конденсированной фазы. Кроме того, изменяя парциальное давление кислорода, можно управлять фазовым составом наночастицы, а также стехиометрией по кислороду. Изменение энергии частиц в процессе конденсации позволяет получать различные структуры конкретного материала – от аморфного до кристаллического; причем размеры, форма кристаллов меняются в зависимости от энергии. В ходе выполнения данного проекта планируется синтез и комплексное исследование физико-химических, магнитных и электрофизических свойств наночастиц ZrO2. Основной целью данного проекта является изучение роли размерных и поверхностных эффектов, остаточных напряжений в формировании магнитных и электрофизических свойств наноразмерных частиц, а также развитие теоретических и практических подходов в изучении физико-химических процессов их формирования. Полученные наночастицы ZrO2 будут исследованы с использованием большого набора экспериментальных методик. Уникальность объектов исследования и использование широкого спектра методов анализа позволяет утверждать, что данная задача является принципиально новым шагом в развитии представления о формировании ферромагнетизма свойств немагнитных наночастиц. Полученные результаты позволят глубже понять роль поверхностных атомов в формировании магнитной структуры исследуемых систем и установить взаимосвязи магнитной структуры с физико-химическими процессами, проходящими в процессе синтеза наночастиц.