[論文レビュー] Magnetic, Optoelectronic, and Rietveld refined structural properties of Al3+ substituted nanocrystalline Ni-Cu spinel ferrites: An experimental and DFT based study

N. Hasan, S. S. Nishat+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2023

Magnetic Properties and Synthesis of FerritesMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ソルゲル自己燃焼法を用いて合成されたAl³⁺ドーピングナノ結晶性Ni₀.₇Cu₀.₃Fe₂₋ₓO₄（x = 0.00–0.10）を、実験的XRD/Rietveld精査、VSM磁化測定、DFT計算を組み合わせて調査した。Al³⁺ドーピングにより、飽和磁化およびボーアー磁気モーメントの低下、低コーエルビティおよび低残留磁化を示すソフト磁性挙動、欠陥状態を有する2.99 eVの狭いバンドギャップが観察され、スピントロニクスおよびフォトニクス応用におけるオプトエレクトロニクス的チューニング可能性が示された。

ABSTRACT

The nanocrystalline Ni0.7Cu0.3AlxFe2-xO4 (x=0.00: 0.02: 0.10) is prepared through the sol-gel autocombustion route.Both XRD and Rietveld confirm the single-phase cubic spinel structure of the investigated materials.Other structural parameters refined by the Rietveld refinement analysis are corroborated to single-phase cubic spinel formation of the NPs.Leveraging a vibrating sample magnetometer (VSM) the consequence of Al3+ substitution on the magnetic parameters is studied.The saturation magnetization (MS) and Bohr magneton are found to decrease with Al3+ substitution.The Remanence ratio and coercivity (HC) are observed to be very low suggesting the materials are soft ferromagnetic.First-principle calculations were carried out using the density functional theory (DFT) to demonstrate the optoelectronic behavior of the materials.The electronic bandgap is found low as Eg=2.99eV for the explored materials with observing defect states at 0.62eV.The optoelectronic properties of Al3+ substituted Ni-Cu ferrite NPs have been characterized through the DFT simulation for the first time, demonstrating their potentiality for optoelectronic device applications.The materials' optical anisotropy is observed along the x-axis, which manifests their tunability through light-matter interaction.

研究の動機と目的

• 制御されたドーピングレベルを有するAl³⁺置換ナノ結晶性Ni-Cuスパインエルフェリットの合成と特性評価を目的とする。
• XRDおよびRietveld精査を用いた構造的進化と相純度の調査を目的とする。
• VSM測定による磁気的挙動の分析と、ソフトフェリット特性の確認を目的とする。
• 密度汎関数理論（DFT）計算を用いたオプトエレクトロニクス的性質の探求を目的とする。
• これらの材料がオプトエレクトロニクスおよびスピントロニクスデバイス応用に適しているかどうかの評価を目的とする。

提案手法

• ナノ結晶性Ni₀.₇Cu₀.₃AlₓFe₂₋ₓO₄（x = 0.00–0.10）フェリットの合成に、ソルゲル自己燃焼法が用いられた。
• X線回折（XRD）とRietveld精査を用いて、単相性立方スパインエル構造の確認および格子定数の精査が行われた。
• 振動試料磁化計測定（VSM）を用いて、飽和磁化（Ms）、残留磁化およびコーエルビティ（Hc）が測定された。
• 電子的バンド構造、バンドギャップ、欠陥状態の分析のために、密度汎関数理論（DFT）計算が実施された。
• 光学吸収および電子遷移のシミュレーションを通じて、オプトエレクトロニクス的性質が評価された。
• ドーピング範囲にわたるAl³⁺置換が構造的および磁気的パラメータに与える影響が体系的に分析された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Al³⁺置換は、Ni-Cuフェリットの構造的パラメータおよび相純度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 Al³⁺ドーピングは、特に飽和磁化およびコーエルビティにどのような影響を及えるか？
• RQ3 DFTによって予測されたAl³⁺ドーピングNi-Cuフェリットの電子的バンドギャップおよび欠陥状態分布は何か？
• RQ4 材料の光学的異方性はどのように変化するか、そしてこれにより光-物質相互作用にどのような含意が生じるか？
• RQ5 これらの材料は、デバイス応用に適したチューナブルなオプトエレクトロニクス的挙動をどの程度示すか？

主な発見

• Rietveld精査により、すべてのAl³⁺ドーピングレベル（x = 0.00–0.10）で単相性立方スパインエル構造の形成が確認された。
• 飽和磁化（Ms）およびボーアー磁気モーメント値は、Al³⁺濃度の増加に伴い低下し、ネット磁気モーメントの減少を示した。
• コーエルビティ（Hc）および残留磁化は非常に低く、ドーピングフェリットのソフト磁性特性が確認された。
• DFT計算により、2.99 eVの狭いバンドギャップが明らかになり、バンドエッジ付近に欠陥状態が存在した。
• 光学的異方性はx軸に沿って観察され、光-物質相互作用に対するチューナブルな応答を示唆した。
• 実験的結果とDFT計算の組み合わせにより、Al³⁺ドーピングNi-Cuフェリットがオプトエレクトロニクスおよびスピントロニクス応用に潜在的であることが示された。