Structural and electronic properties of hydrogen doped Wurtzite ZnO

Afruz, Fahime Bustan; Tafreshi, Majid Jafar; Fazli, Mostafa

doi:10.1016/j.commatsci.2017.10.045

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“…Moreover, a H 2 thermal treatment would cause the hydrogen incorporation in the lattice evidenced by lattice parameters decreasing and the growth of grain size. The lattice parameters’ reduction is consistent with H incorporation as interstitial (H i ) and/or in the place of an oxygen vacancy (H O ) . H acts as a shallow donor transferring an electron to the conduction band (Zn 4s).…”

Section: Discussionmentioning

confidence: 63%

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Room-Temperature Ferromagnetism Induced by High-Pressure Hydrogenation of ZnO

et al. 2019

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In this work, we report direct evidence of ferromagnetism in hydrogenated ZnO sub-micrometric powders. Hydrogen (H2) was incorporated under a high-pressure heat treatment in a sealed reactor. Ferromagnetism at room temperature can be activated and deactivated by annealing in H2 and air atmospheres, respectively. Hydrogen incorporation in ZnO structure was observed from X-ray absorption near-edge structure spectra where hydrogen acts as a shallow donor transferring electrons to the conduction band (Zn 4s). The Raman measurements evidence clear distortions in chemical environments of Zn atoms associated with defect formation. Our results suggest that magnetism is a superficial phenomenon probably related to the surface bonding of hydrogen to Zn (or O) on polar ZnO surfaces.

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Section: Discussionmentioning

confidence: 63%

“…The lattice parameters' reduction is consistent with H incorporation as interstitial (H i ) and/or in the place of an oxygen vacancy (H O ). 79 H acts as a shallow donor transferring an electron to the conduction band (Zn 4s). Then, hydrogen incorporation affects more electronic states of Zn than O one.…”

Section: ■ Discussionmentioning

confidence: 99%

Room-Temperature Ferromagnetism Induced by High-Pressure Hydrogenation of ZnO

et al. 2019

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“…With the introduction of CTAB, SDS and OA, the highest negative average streamer velocities further decrease to 0.89 km s −1 , 0.9 km s −1 and 0.9 km s −1 . Regardless with and without surfactants, it is found that for both RBDPO and CO based Al 2 O 3 nanofluid are classified as second mode streamer whereby the range of average positive and negative streamer velocities are between 1 km s −1 and 1.6 km s −1 [40,41].…”

Section: Discussionmentioning

confidence: 95%

“…For all samples, the analysis indicated absorption peaks at 415 cm −1 , 460 cm −1 , 583 cm −1 and 721 cm −1 which corresponds to Al-O-Al vibration related to metal oxide bands. A strong band is found at 721 cm −1 which corresponds to the symmetrical stretching vibration of Al-O-Al [40]. The absorption peaks at 1460 cm −1 and 1710 cm −1 suggest the presence of O-H bending vibrations.…”

Section: Nanofluids Characterizationmentioning

confidence: 93%

Effect of surfactants on the lightning breakdown voltage of palm oil and coconut oil based Al₂O₃nanofluids

Mohamad

Azis²,

Jasni³

et al. 2020

Nanotechnology

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In this paper, the effect of different types of surfactants on the lightning breakdown voltages of palm oil (PO) and coconut oil (CO) based aluminium oxide (Al2O3) nanofluids is investigated. Three different types of surfactants were used in this study known as cationic (cetyl trimethyl ammonium bromide (CTAB)), anionic (sodium dodecyl sulfate (SDS)) and non-ionic (oleic acid (OA)). The volume percentage concentrations of Al2O3 dispersed into PO and CO were varied from 0.001% to 0.05%. The ratio of surfactant to the nanoparticles was set to 50% from the volume concentration of nanoparticles which equivalent to 1:2. In total, two types of refined, bleached and deodorized palm oil (RBDPO) and one type of CO were examined for lightning breakdown voltage. The test was carried out based on needle-sphere electrodes configuration with 25 mm gap distance. The presence of Al2O3 improves both positive and negative lightning breakdown voltages of RBDPO and CO. Under the positive and negative polarities, the CTAB does provide further improvements on the lightning breakdown voltages of RBDPOA (1st type of samples) and CO at most of the volume of concentration of Al2O3. SDS and OA could also further improve the lightning breakdown voltage of CO at certain volume concentration of Al2O3. On the other hand, the lightning breakdown voltage of RBDPOB based Al2O3 nanofluid (2nd type of samples) does not further improve with the introduction of surfactants. At most of the volume concentration of Al2O3, the introduction of CTAB further increases the times to breakdown and decrease the average streamer velocities of RBDPOA under both polarities. The same finding is observed for CO under positive polarity with CTAB and SDS as well as under negative polarity in the presence of all surfactants. The streamer velocities and times to breakdown patterns of RBDPOB based Al2O3 nanofluid are inconsistent in the presence of all surfactants. It is found that RBDPO and CO based Al2O3 nanofluids have second mode of streamer whereby the streamer velocities are from 1 km s−1 to 1.63 km s−1 regardless with or without surfactants.

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“…La reducción de los parámetros de celda es consistente con la incorporación de hidrógeno: (i) ocupando una vacancia de oxígeno ( ), (ii) como defecto intersticial ( ) o (iii) ambos (Bustan et al, 2018). El H actúa como un donante superficial que transfiere un electrón a la banda de conducción (4 ).…”

Section: Discussionunclassified

Propiedades magnéticas de óxidos modificados por implantación de iones livianos de baja energía

Robaina¹

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En las últimas dos décadas, el descubrimiento de sólidos nominalmente no magnéticos que muestran orden magnético inducido por algún tipo de defectos ha aumentado continuamente. La influencia de defectos en la activación del orden magnético ha atraído el interés de científicos experimentales y teóricos desde la observación de magnetismo tanto en materiales monoelementos como el grafito u óxidos binarios como ZnO, TiO2 y otros óxidos puros o dopados. En la presente tesis y con base en sólidos resultados experimentales sustentados por estudios teóricos se discuten las evidencias que respaldan la existencia de magnetismo superficial inducido por defectos (DIM, por sus siglas en inglés) generados por hidrogenación o implantación de H+ en ZnO y TiO2. Se examina la relación entre las propiedades estructurales y electrónicas de óxidos de metales de transición con las propiedades magnéticas derivadas de la existencia de defectos simples (vacancias, intersticiales), complejos e incorporación de hidrógeno. Para ello, la tesis presenta dos partes principales que responden al tipo de técnica empleada para generar defectos; hidrogenación de polvos de ZnO y TiO2 a altas presiones y temperatura e implantación a baja energía de iones livianos H+ o Ar+ en capas delgadas, nanovarillas y microhilos de ZnO y capas delgadas de TiO2. La hidrogenación se realizó en un aparato tipo Sievert a 773 K, variando el tiempo y la presión de hidrógeno de la cámara. Para la implantación iónica a baja energía se diseñó y construyó una cámara ad hoc. La misma constituye un aporte importante de esta Tesis, dado que es la única en Argentina con estas características y presenta otras aplicaciones potenciales que trascienden el marco del presente trabajo. Sobre las muestras hidrogenadas e implantadas se realizaron medidas morfológicas, estructurales, espectroscópicas y magnéticas para determinar cómo los defectos inducidos por hidrogenación e implantación de iones livianos afectan la estructura, microestructura, estructura electrónica y propiedades magnéticas de estos sistemas. En particular, herramientas muy útiles fueron la caracterización por absorción de rayos X y por dicroísmo circular magnético las cuales permitieron individualizar el ión magnético. La relación entre la respuesta magnética y los cambios en las propiedades electrónicas y estructurales en función del tipo y concentración de defectos es un tema en debate al que pretende aportar la presente tesis. Mediante la comparación con cálculos de primeros principios se elaboraron modelos que permitieron interpretar los resultados magnéticos y predecir comportamientos de los sistemas variando los defectos inducidos. A largo plazo y con base en estos resultados, se pretende que los materiales semiconductores y ferromagnéticos a temperatura ambiente obtenidos en el presente trabajo, puedan integrarse óptimamente en dispositivos magnetoelectrónicos como junturas túnel y filtros de espín, aptos para aplicaciones espintrónicas. En resumen, las muestras hidrogenadas exhibieron magnetismo a temperatura ambiente con curvas de magnetización prácticamente anhisteréticas. Tanto el ZnO como el TiO2 hidrogenado presentan una magnetización local importante a pesar de que la fracción magnética estimada representa aproximadamente 10-3 % del volumen total de las muestras. Los resultados anteriores son coherentes con los modelos de magnetismo superficial. Respecto al ZnO se observó que el hidrógeno se incorporó a la estructura del ZnO actuando como un donante superficial que transfiere prácticamente toda su carga al orbital Zn4s de la banda de conducción. Los cálculos ab-initio mostraron que el hidrógeno en superficie se polariza y porta un momento magnético aproximado de 0.3 μB/H; de igual manera se observó polarización del Zn, aunque en menor medida. Haciendo referencia a la hidrogenación del TiO2 se observó que el hidrógeno transfiere carga al Ti, lo reduce e induce su polarización. El comportamiento magnético de los sistemas hidrogenados puede ser satisfactoriamente descrito en términos de “magnetismo d^0”. Por último, la irradiación con iones livianos a baja energía resultó ser un poderoso método para modificar ostensiblemente la densidad de estados en nanoestructuras y microestructuras de ZnO y TiO2 e inducir ferromagnetismo, aunque en varios casos las muestras sin irradiar son magnéticas.

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Structural and electronic properties of hydrogen doped Wurtzite ZnO

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Room-Temperature Ferromagnetism Induced by High-Pressure Hydrogenation of ZnO

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Effect of surfactants on the lightning breakdown voltage of palm oil and coconut oil based Al₂O₃nanofluids

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