Síntese e estudo das propriedades estruturais e magnéticas de semicondutores magnéticos diluídos do tipo (Zn, Fe) S

Abstract

RESUMO: O composto hexagonal Zn1-xFexS (com 0,002 = x = 0,030) foi sintetizado por liofilização da solução aquosa de sulfeto de zinco e cloreto de ferro, seguido de tratamento térmico a 1100°C sob atmosfera de argônio, por períodos de 1 h, 3 h e 6 h. As propriedades estruturais e hiperfinas do semicondutor ZnS dopado com Fe foram caracterizadas através da difração de raios X (refinamento Rietveld), microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia Mössbauer. Com os resultados destas análises foi possível determinar que o limite de solubilidade do ferro na rede do sulfeto de zinco é de ~3at.%. Acima desta concentração, precipita uma fase espinélio do tipo Fe3-xZnxO4. As amostras caracterizadas, sejam monofásicas ou com segunda fase, são paramagnéticas em temperatura ambiente e em baixas temperaturas, em conformidade com alguns estudos prévios da literatura. Observou-se, também, que os parâmetros de rede da fase sulfeto variam pouco e sem tendência definida com o aumento da concentração nominal do ferro, que dopa o ZnS com valência 2+. Os cátions ferrosos revelam ocupar três sítios diferentes, sendo dois substitucionais ao zinco na rede e, um terceiro, localizado de forma diluída no contorno de grão da matriz sulfeto. O comportamento paramagnético do sistema é explicado por duas razões: (i) o reduzido limite de solubilidade do ferro no sulfeto de zinco, que não permite a interação de troca de curto alcance entre os momentos magnéticos; (ii) a dopagem isovalente, que não gera elétrons itinerantes que viabilizem a interação de troca de longo alcance, entre os momentos magnéticos do cátion ferroso

ABSTRACT: The Zn1-xFexS hexagonal compound (0.002 = x = 0.030) was synthesized by lyophilization of the aqueous solution of zinc sulfide and iron chloride, followed by a heat treatment at 1100°C under argon atmosphere for periods of 1 h, 3 h and 6 h. The structural and hyperfine properties of the Fe-doped ZnS semiconductor were characterized by X-ray diffraction (Rietveld refinement), scanning electron microscopy and Mössbauer spectroscopy. With the results of these analyses, it was possible to determine that the solubility limit of iron in the zinc sulphide network is ~ 3at%. Above this concentration, a spinel phase of Fe3-xZnxO4 precipitates. The samples characterized, whether single phases or second phases, are paramagnetic at room temperature and at low temperatures, in accordance with some previous studies in the literature. It was also observed that the network parameters of the sulfide phase vary little and without a definite tendency with the increase of the nominal iron concentration, that dopes the ZnS with valency 2+. The ferrous cations reveal to occupy three different sites, two being substitutional to the zinc in the lattice, and a third located in a diluted form in the grain boundary of the sulfide matrix. The paramagnetic behavior of the system is explained by two reasons: (i) the reduced iron solubility limit on zinc sulfide, which does not allow the interaction of short-range exchange between magnetic moments; (ii) isovalent doping, which does not generate traveling electrons that enable the long-range exchange interaction between the magnetic moments of the ferrous cation