Evidence of Vacancy-Induced Room Temperature Ferromagnetism in Amorphous and Crystalline Al₂O₃ Nanoparticles

Abstract

Amorphous and crystalline Al2O3 nanoparticles were synthesized by a sol–gel method with postannealing at different temperatures. Magnetism measurements have indicated that all Al2O3 nanoparticles exhibit intrinsic room temperature ferromagnetism, and the saturation magnetism of the samples increases after vacuum annealing, whereas bulk Al2O3 presents paramagnetism. Electron spin resonance and fitting results of O 1s X-ray photoelectron spectroscopy reveal that the origin of the ferromagnetism in Al2O3 nanoparticles could be attributed to the singly charged oxygen vacancies (F+ centers). The variation of the relative area of oxygen vacancies and the number of free electrons is consistent with the change of saturation magnetization for the samples. Combined with these results, a direct correlation of ferromagnetism with F+ centers exchange mechanism is established.

Особенности кристаллической структуры и магнитных свойств наночастиц Al-=SUB=-2-=/SUB=-O-=SUB=-3-=/SUB=- по данным ЯМР -=SUP=-27-=/SUP=-Аl

“…Нанооксид Аl 2 O 3 может быть синтезирован несколь-кими способами, наиболее часто применяются золь-гель метод [7] и размол шаровыми мельницами [8]. Реже используются лазерное распыление [9] и распыление в газовом потоке [10].…”

“…Можно предполагать, что дефекты в Al 2 O 3 также могут образовывать протяженные структуры [14], с изменением валентного состояния катионов и нет необходимости вводить гипотезу о появлении металли-ческого алюминия в нестехиометрическом Al 2 O 3 нано-состоянии. Другое интересное явление, которое наблюдается в наночастицах Al 2 O 3 , связано с появлением ферромаг-нитного упорядочения части образца при комнатной температуре (и ниже, T c > 300 K) [7]. В работе [7] было обнаружено, что намагниченность насыщения уве-личивалась обратно пропорционально среднему разме-ру наночастиц и, возможно, этот рост был связан с увеличением концентрации дефектов в кислородной подрешетке (так называемых F-центров) [7].…”

“…Другое интересное явление, которое наблюдается в наночастицах Al 2 O 3 , связано с появлением ферромаг-нитного упорядочения части образца при комнатной температуре (и ниже, T c > 300 K) [7]. В работе [7] было обнаружено, что намагниченность насыщения уве-личивалась обратно пропорционально среднему разме-ру наночастиц и, возможно, этот рост был связан с увеличением концентрации дефектов в кислородной подрешетке (так называемых F-центров) [7]. Следует, однако, отметить, что величина намагниченности насы-щения достаточно мала -на 4 порядка меньше, чем намагниченность насыщения оксидов железа (магнетита или маггемита).…”

The Electronic Structures and Magnetic Properties in Ti-doped MgO

“…These extrinsic magnetic behaviors are undesirable for practical application. Up to now, the origin of ferromagnetism in oxide DMSs is still unclear.Recently, a new class of oxide ferromagnets has arisen, bringing new challenges for the understanding of the underlying physics of long-range ferromagnetic ordering in oxide compounds [8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]. In these systems, the ferromagnetic behavior is driven by native defects and therefore there are no complications arising from additional phases or clustering effects induced by the doping process, thus they are considered as promising spintronic materials.…”

Nanopatterns induced by pulsed laser irradiation on the surface of an Fe-Al alloy and their magnetic properties

“…4(f) since the dot-like structure can be formed as shown in Fig. 2(f) [27][28][29] The appearance of paramagnetic, ferrimagnetic, and antiferromagnetic phases on the surface of the sample causes a decrease in the magnetization, resulting in the reduction of the Kerr rotation.…”