Preparação e caracterização de cerâmicas do sistema ZnO:Mn.

Abstract

Neste trabalho apresentamos os estudos relacionados à preparação e caracterização estrutural do sistema ZnO:Mn. A utilização de novas rotas de síntese desse material tem levado a obtenção de materiais apresentando formas anisotrópicas, que podem dar origem a novas propriedades e aplicações. Neste contexto, este trabalho descreve a síntese de amostras preparadas via moagem mecânica, e o estudo do limite de solubilidade do Mn na matriz do ZnO, as melhores condições de incorporação dos diferentes precursores e melhor atmosfera de sinterização, bem como o estudo da natureza dos modos vibracionais de defeitos com o aumento da concentração do dopante (Mn) na matriz do ZnO. A caracterização estrutural dos materiais preparados se deu via difração de raios X, espectroscopia de espalhamento Raman, microscopia eletrônica de varredura, espectroscopia de raios X por dispersão em energia, espectroscopia de absorção de raios X e magnetometria SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Conjugando os resultados dessas diferentes técnicas, confirmou-se que o limite de solubilidade do Mn está abaixo de ~ 5,4 at.% (porcentagem atômica) com a substituição do Zn pelo Mn na estrutura wurtzita do ZnO, sem alteração significativa da mesma. As análises confirmam também que com o aumento da concentração de dopantes há um aumento da concentração de defeitos estruturais provocados pela sua inserção à matriz, sendo possível identificar modos vibracionais locais específicos associados aos dopantes utilizados. Apesar dos defeitos induzidos, a caracterização magnética revela a existência da fase paramagnética com acoplamento antiferromagnético entre os íons Mn. Sob a óptica do modelo Bound Magntic Polaron, conclui-se que as vacâncias de oxigênio não são o defeito necessário para promover o ferromagnetismo desejado à temperatura ambiente. Ainda, através do estudo dos modos vibracionais de defeitos com diferentes comprimentos de onda de excitação, observamos que estes modos aumentam a intensidade com a diminuição do comprimento de onda de excitação, em consequência do aumento da interação elétron/fônon, que se dá em função do aumento frequência de vibração dos átomos e consequentemente aumento da quantidade de elétrons na banda de condução. Nas condições alcançadas o material preparado apresenta potencial aplicação em sistemas de fotocatálise, termoeletricidade e spintrônicos.