Estudo da origem do ferromagnetismo em filmes finos eletrodepositados de Céria Deficientes em Oxigênio

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Fernandes, Vilmar
Data de Publicação: 2010
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFPR
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1884/24491
Resumo: Orientador: Prof. Dr. Dante Homero Mosca Jr
id UFPR_67ccaa245eb179970a913202d666949d
oai_identifier_str oai:acervodigital.ufpr.br:1884/24491
network_acronym_str UFPR
network_name_str Repositório Institucional da UFPR
repository_id_str 308
spelling Yum-lim ZhengUniversidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPEMosca, Dante HomeroFernandes, Vilmar2024-05-09T18:45:19Z2024-05-09T18:45:19Z2010https://hdl.handle.net/1884/24491Orientador: Prof. Dr. Dante Homero Mosca JrCoorientador: Prof. Dr. Yum-lim ZhengTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia - PIPE. Defesa: Curitiba, 26/07/2010Bibliografia: fls. 100-106Área de concentração: Engenharia e Ciência de MateriaisResumo: Neste trabalho é descrita a eletrodeposição de filmes finos de óxido de cério (CeO2) com espessuras entre 20 nm e 300 nm sobre substratos de silício. Os depósitos foram preparados usando o método potenciostático a partir de soluções aquosas contendo 800 mmol/L de CeCl3.7H2O com e sem a adição de peróxido de hidrogênio (H2O2) como agente oxidante. Análises de microscopia eletrônica de transmissão em modo de difração de área selecionada revelam que os depósitos possuem estrutura policristalina com uma significativa fração amorfa. A estequiometria dos depósitos foi determinada através de várias técnicas incluindo: espectroscopia de dispersão de energia de raios X, espectroscopia de fotoelétrons estimulados por raios X, espectroscopia de absorção de raios X próxima à borda e espectroscopia de perda de energia de elétrons. Todas estas técnicas indicaram a deficiência de oxigênio nos depósitos devido às vacâncias de oxigênio que são associadas à presença de sítios de Ce3+. A concentração de sítios de Ce3+ em relação ao Ce4+ em depósitos crescidos com e sem peróxido de hidrogênio na solução variou entre 3,3 e 22,7%, respectivamente. Estes depósitos exibem um comportamento ferromagnético à temperatura ambiente com magnitudes de magnetizações de saturação de até 200 emu/cm3, que são diretamente correlacionadas à concentração de sítios de Ce3+. Evidências experimentais sugerem que a presença de vacâncias de Ce também contribui no comportamento ferromagnético. Uma inusitada anisotropia magnética foi também observada com magnetizações de saturação até 60 % maiores com o campo magnético aplicado fora do plano dos filmes do que com campo magnético aplicado no plano do filme. De modo a investigar a influência de defeitos no comportamento ferromagnético, alguns filmes foram irradiados com íons de Ne+ com energias variando de 30 a 350 keV e fluências entre 1014 e 1016 ions/cm2. Os filmes irradiados apresentaram concentrações de sítios de Ce3+ relativos a Ce4+ de até 47%. Resultados experimentais revelam a persistência do ferromagnetismo mesmo acima do limite percolação de defeitos e em presença de severa desordem estrutural nos depósitos. Cálculos teóricos usando teoria do funcional da densidade de estados eletrônicos resolvida em spin do CeO2 com vacâncias de oxigênio e de cério foram realizados. Os resultados teóricos corroboram nossos dados experimentais indicando que a presença de vacâncias de Ce e de O contribuem para o estabelecimento do estado ferromagnético com a formação de momentos magnéticos de 4 e 2 magnetons de Bohr por vacância de Ce e O, respectivamente. Os cálculos DFT juntamente com análises de nanotextura também permitiram a compreensão da anisotropia da magnetização de saturação dos depósitos, que foi correlacionada à formação de pares de vacâncias preferencialmente ao longo dos eixos cristalográficos <111>. A interação entre as propriedades magnéticas e estrutura eletrônica, bem como, a compatibilidade entre o CeO2 e Si torna as heteroestruturas CeO2/Si bastante interessantes para explorar possíveis aplicações em dispositivos multifuncionais na área de magneto-ótica e spintrônica.Abstract: In this work is described the electrodeposition of cerium oxide (CeO2) thin films with thicknesses between 20 and 300 nm onto silicon (Si) substrates. The deposits were prepared using potentiostatic ethod from the aqueous solutions containing 800 mmol/L of CeCl3.7H2O with and without addition of hydrogen peroxide (H2O2) as oxidant agent. Transmission electron microscopy analyses performed in the selected area electron diffraction mode reveal that deposits are nanocrystalline with significant amorphous fraction. The stoichiometry of the deposits was determined by several techniques, such as: energy-dispersive X-ray spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, X-rays absorption near-edge spect oscopy, and electron energy loss spectroscopy. All these techniques indicate the oxygen deficiency in the deposits due to oxygen vacancies which are associated with the presence of Ce3+ sites. The concentration of Ce3+ relative to Ce4+ in deposits prepared with and without hydrogen peroxide in the solutions varies from 3,3 to 22,7 %, respectively. These deposits exhibit a robust ferromagnetic behavior at room temperature with saturation magnetization values as high as 200 emu/cm3, which are strongly correlated to the concentration of Ce3+ sites. Experimental evidences suggest that the presence of cerium vacancies also contributes to the ferromagnetic behavior. An unusual magnetic anisotropy was also observed with saturation magnetizations up to 60% higher with the applied magnetic field outside the plane of the film than with magnetic field applied in the film plane. In order to investigate the influence of disorder in the ferromagnetic behavior, some films were irradiated with Ne+ ions with energies ranging from 30 to 350 keV and ion-fluence between 1014 to 1016 ions/cm2. Irradiated films exhibited concentrations of Ce3+ relative to Ce4+ as high as 47 %. xperimental results revealed a persistent ferromagnetic response even above the percolation limit of defects and in the presence of strong structural disorder in the deposits. Theoretical calculations using density functional theory (DFT) of the spin-resolved density of states of CeO2 with oxygen and cerium vacancies were performed. Theoretical results corroborate our experimental findings indicating that the presence of O and Ce vacancies contributes to stabilize a global ferromagnetic ground state with the formation of magnetic moments of 4 and 2 Bohr magnetons per Ce and O vacancies, respectively. The DFT calculations together with analysis of nanotexture also helped understand the anisotropy of saturation magnetization of the deposits, which was correlated to the formation of pairs of vacancies preferentially along the rystallographic axes <111>. The interplay between magnetic properties and electronic structure as well as the compatibility between CeO2 and Si renders CeO2/Si heterostructures rather interesting to explore possible applications in multifunctional devices in the area of magneto-optics and spintronics.106f. : il. [algumas color.], grafs., tabs.application/pdfDisponível em formato digitalFerromagnetismoFilmes finosOxidos de cerioEngenharia de Materiais e MetalurgiaEstudo da origem do ferromagnetismo em filmes finos eletrodepositados de Céria Deficientes em Oxigênioinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALTese Vilmar Fernandes (2010).pdfapplication/pdf2145797https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/24491/1/Tese%20Vilmar%20Fernandes%20%282010%29.pdf8ff081847aed5e8ac2d5c3b1c08e7e4aMD51open accessTEXTTese Vilmar Fernandes (2010).pdf.txtExtracted Texttext/plain201082https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/24491/2/Tese%20Vilmar%20Fernandes%20%282010%29.pdf.txtc9ff4695e6d198293e9b05f68701583aMD52open accessTHUMBNAILTese Vilmar Fernandes (2010).pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1283https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/24491/3/Tese%20Vilmar%20Fernandes%20%282010%29.pdf.jpga35cd51ebabfc03db8b7925a8cc08fdeMD53open access1884/244912024-05-09 15:45:19.873open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/24491Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082024-05-09T18:45:19Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false
dc.title.pt_BR.fl_str_mv Estudo da origem do ferromagnetismo em filmes finos eletrodepositados de Céria Deficientes em Oxigênio
title Estudo da origem do ferromagnetismo em filmes finos eletrodepositados de Céria Deficientes em Oxigênio
spellingShingle Estudo da origem do ferromagnetismo em filmes finos eletrodepositados de Céria Deficientes em Oxigênio
Fernandes, Vilmar
Ferromagnetismo
Filmes finos
Oxidos de cerio
Engenharia de Materiais e Metalurgia
title_short Estudo da origem do ferromagnetismo em filmes finos eletrodepositados de Céria Deficientes em Oxigênio
title_full Estudo da origem do ferromagnetismo em filmes finos eletrodepositados de Céria Deficientes em Oxigênio
title_fullStr Estudo da origem do ferromagnetismo em filmes finos eletrodepositados de Céria Deficientes em Oxigênio
title_full_unstemmed Estudo da origem do ferromagnetismo em filmes finos eletrodepositados de Céria Deficientes em Oxigênio
title_sort Estudo da origem do ferromagnetismo em filmes finos eletrodepositados de Céria Deficientes em Oxigênio
author Fernandes, Vilmar
author_facet Fernandes, Vilmar
author_role author
dc.contributor.other.pt_BR.fl_str_mv Yum-lim Zheng
Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE
dc.contributor.advisor1.fl_str_mv Mosca, Dante Homero
dc.contributor.author.fl_str_mv Fernandes, Vilmar
contributor_str_mv Mosca, Dante Homero
dc.subject.por.fl_str_mv Ferromagnetismo
Filmes finos
Oxidos de cerio
Engenharia de Materiais e Metalurgia
topic Ferromagnetismo
Filmes finos
Oxidos de cerio
Engenharia de Materiais e Metalurgia
description Orientador: Prof. Dr. Dante Homero Mosca Jr
publishDate 2010
dc.date.issued.fl_str_mv 2010
dc.date.accessioned.fl_str_mv 2024-05-09T18:45:19Z
dc.date.available.fl_str_mv 2024-05-09T18:45:19Z
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv https://hdl.handle.net/1884/24491
url https://hdl.handle.net/1884/24491
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.relation.pt_BR.fl_str_mv Disponível em formato digital
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv 106f. : il. [algumas color.], grafs., tabs.
application/pdf
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Repositório Institucional da UFPR
instname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)
instacron:UFPR
instname_str Universidade Federal do Paraná (UFPR)
instacron_str UFPR
institution UFPR
reponame_str Repositório Institucional da UFPR
collection Repositório Institucional da UFPR
bitstream.url.fl_str_mv https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/24491/1/Tese%20Vilmar%20Fernandes%20%282010%29.pdf
https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/24491/2/Tese%20Vilmar%20Fernandes%20%282010%29.pdf.txt
https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/24491/3/Tese%20Vilmar%20Fernandes%20%282010%29.pdf.jpg
bitstream.checksum.fl_str_mv 8ff081847aed5e8ac2d5c3b1c08e7e4a
c9ff4695e6d198293e9b05f68701583a
a35cd51ebabfc03db8b7925a8cc08fde
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv MD5
MD5
MD5
repository.name.fl_str_mv Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1801860190584176640

Registros relacionados