Synthesis and Characterization of ε-Fe2O3 Nanoparticles and Thin Films
Al llarg de les dues darreres dècades, el polimorf d’òxid de ferro(III) ε-Fe2O3 ha passat de ser una raresa científica a estar a centre d’una intensa activitat de recerca a causa del seves propietats multiferroiques elevada coercivitat a temperatura ambient. Aquestes propietats tan poc habituals pos...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de recurso: | tesis doctoral |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2021 |
| País: | España |
| Institución: | CBUC, CESCA |
| Repositorio: | TDR. Tesis Doctorales en Red |
| OAI Identifier: | oai:www.tdx.cat:10803/671968 |
| Acceso en línea: | http://hdl.handle.net/10803/671968 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palabra clave: | Magnetisme Magnetismo Magnetism Òxid de ferro Óxidos de hierro Iron oxides Capes primes epitaxials Capas delgadas epitaxiales Epitaxial thin films Ciències Experimentals 537 |
| Sumario: | Al llarg de les dues darreres dècades, el polimorf d’òxid de ferro(III) ε-Fe2O3 ha passat de ser una raresa científica a estar a centre d’una intensa activitat de recerca a causa del seves propietats multiferroiques elevada coercivitat a temperatura ambient. Aquestes propietats tan poc habituals posen de relleu aspectes fonamentals relacionats amb la complexitat del seu diagrama de fases magnètic i susciten interès per les seves aplicacions potencials en tecnologies de la informació o fotocatàlisi. Tot i aquest interès creixent, la síntesi i caracterització de materials de tipus ε-(Fe1-xMx)2O3 en què el Fe3+ es substitueix per altres cations metàl·lics encara ha estat poc estudiada. Així mateix, tampoc s’acaben d’entendre els mecanismes d’estabilització de l’ε-Fe2O3 en capes primes, molt rellevants en les aplicacions. Aquesta tesi pretén fer avançar el coneixement en aquests aspectes, explorant la síntesi i caracterització de nanopartícules ε-(Fe1-xMx)2O3 dopades amb metalls de transició magnètics (M= Cr, Mn, Co, Ru) i en els mecanismes d’estabilització de les capes epitaxials d’ ε-Fe2O3, tot fent la caracterització estructural i de les seves propietats. La recerca en nanopartícules ha permès aprofundir el coneixement de les transicions de fase de l’ ε-Fe2O3 i ha posat de manifest la seva sensibilitat a la deformació i als camps magnètics. S’ha vist que el Cr3+ substitueix el Fe3+ en entorns octaèdrics regulars de l’ε-(Fe1-xCrx)2O3, i que redueix de forma dràstica l’anisotropia magnètica i la magnetització de saturació de les nanopartícules. La substitució del Fe3+ per Cr3+ s’ha pogut estudiar fins a x=0.25 sense observar-se l’aparició d’altres fases secundàries, tot i que per a x>0.10 hi ha indicis de canvis estructurals. La substitució amb Mn s’ha estudiat fins a x=0.20 sense que tampoc en aquest cas s’observés l’aparició de fases secundàries a l’augmentar el contingut de Mn. Tanmateix, per sobre de x=0.10 també s’han observat canvis estructurals. En relació amb això, una baixa substitució amb Mn fa augmentar l’anisotropia magnètica tot i que aquesta disminueixi ràpidament per a x>0.05 coincidint amb un fort increment de la magnetització. A diferència del que passa amb el Cr i el Mn, la substitució amb Co no pot anar més enllà del 3 % atòmic sense que apareguin fases secundàries. Aquests nivells tan baixos de substitució fan tanmateix augmentar a i al mateix temps comprimir b i c, molt probablement com a conseqüència d’efectes magnetoelàstics relacionats amb el moment orbital del Co2+. Aquests efectes magnetoelàstics semblen tenir una forta influència sobre la transició magnètica de l’ε-Fe2O3 a alta temperatura tot estabilitzant les subxarxes magnètiques dels ferros en entorns octaèdrics regulars i tetraèdrics. Pel que fa a la substitució amb Ru, cal dir que ha estat complicada a causa de la volatilitat d’aquest metall i que els resultats de la caracterització magnètica de diferents síntesis no ha resultat reproduïbles, fet que indica que aquestes s’han de millorar. En la recerca sobre capes primes d’ε-Fe2O3, s’ha investigat el creixement de Sc0.2Al0.4Fe1.4O3 sobre diferents substrats i s’han obtingut capes epitaxials de bona qualitat sobre LSAT (111), STO (111), Mica (001) i YSZ (001). Això ha permès estabilitzar capes primes epitaxials d’ε-Fe2O3 sobre substrats flexibles com la Mica fent servir l’Sc0.2Al0.4Fe1.4O3 com a capa tampó. La caracterització magnètica de les capes d’ε-Fe2O3 sobre mica ha posat de manifest una transició magnètica a baixa temperatura de característiques similars a la ja coneguda en nanopartícules d’ε-Fe2O3, però encara no observada en capes primes. També s’ha investigat l’estabilització d’ε-Fe2O3 sobre l’espinel·la Fe3O4 (111) com a capa tampó i sobre substrats MgAl2O4 (111). La transició a baixa temperatura de les capes d’ε-Fe2O3 crescudes directament sobre MAO(111) s’ha estudiat de forma detallada amb espectroscòpia Raman |
|---|