Titanium 3d ferromagnetism with perpendicular anisotropy in defective anatase

Abstract

This work focuses on the generation of ferromagnetism at the surface of anatase TiO 2 films by low-energy ion irradiation. Controlled Ar +-ion irradiation resulted in a thin (∼10) nm ferromagnetic surface layer. The intrinsic origin and robustness of the magnetic order has been characterized by x-ray magnetic circular dichroism at room temperature revealing that a Ti band is spin-polarized. These results, together with density functional theory calculations, indicate that Ti vacancy-interstitial pairs are responsible for the magnetic order. Superconducting quantum interference device measurements show the existence of a perpendicular magnetic anisotropy and a low remanent magnetization. Magnetic force microscopy reveals that this low remanence is due to oppositely aligned magnetic domains with magnetization vectors normal to the main surface. The weak domain-wall pinning, the magnetic anisotropy, together with the simplicity of the preparation method, open up interesting possibilities for future applications. As an example, single domain patterns of ∼1 μm width and several μm length can be easily prepared.

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

“…En este sentido, los científicos emplean tecnologías convencionales y emergentes para investigar los semiconductores tradicionales buscando desarrollar dispositivos con mayores velocidades de transmisión de información y capacidad de almacenamiento (Yoon et al 2006). Para introducir o generar defectos se emplean varios métodos; entre ellos podemos citar: la irradiación UV (Bityurin, Kuznetsov y Kanaev, 2005;Howe y Gratzel, 1987;Berger et al 2005), recocido al vacío (Diebold et al 1998), recocido a alta temperatura (Lu, Linsebigler y Yates, 1994), condiciones reductoras (Li et al 2005), tratamiento con plasma (Nakamura et al 2000), láser (Le Mercier et al 1995) y bombardeo de partículas altamente energéticas (Zheng et al 2007;Bromiley y Shiryaev, 2006;Stiller et al 2020;Jun et al 2006;Dohshi et al 2005). Ahora, especial interés científico goza la hidrogenación de diferentes compuestos debido a los notables cambios provocados sobre las propiedades físicas y químicas de los materiales (Mo et al 2014;Liu et al 2003).…”

“…La imagen (c) es similar a (b) pero para anatasa con defecto tipo di-FP2. Tomada de: (Stiller et al 2020).…”

“…El borde 3 se origina a partir de las transiciones electrónicas desde los orbitales internos 2 3/2 a los estados vacíos 3 , y el borde 2 proviene de las transiciones 2 1/2 a 3 . A su vez los dos bordes 3 y 2 se dividen y el número de picos adicionales depende del estado de valencia, la coordinación y la simetría del sitio (Stiller et al, 2020;Stoyanov, Langenhorst y Steinle-Neumann, 2007). Los picos (A, B, C y D) son comunes a todos los compuestos de Ti tetravalentes con coordinación TiO6 (Krüger, 2010) y son el resultado del desdoblamiento spin-órbita de los estados 2 ( 2,3 ) y el desdoblamiento de 3 en orbitales 2 y .…”

“…Además, los picos B-b son una huella digital para la anatasa (IB/b > 1) (Stiller et al, 2020) y el rutilo (IB/b < 1) (Krüger et al 2012) y no aparece en otros octaedros con similares longitudes de enlace Ti-O, ejemplo: SrTiO3 (Krüger, 2010). El desdoblamiento B-b es esencialmente un efecto no local causado por la estructura de bandas y refleja la estructura electrónica del sistema.…”

“…. Uno de los efectos del tratamiento en atmósferas reductoras es la reducción catiónica de los compuestos Lu et al 2012;Yan et al 2014c;Stiller et al 2020). Se puede observar que alrededor de 456.5 y 457.8 eV TiO2-H2-P40 muestra dos máximos que podrían ser consistentes con especies de Ti reducido.…”