The Influence of Doping with Transition Metal Ions on the Structure and Magnetic Properties of Zinc Oxide Thin Films

<jats:p><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M1"><mml:mtext>Z</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>N</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>i</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>O</mml:mtext></mml:math>(<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M2"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.03</mml:mn><mml:mo>÷</mml:mo><mml:mn>0.10</mml:mn></mml:math>) and<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M3"><mml:mtext>Z</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>−</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>Fe</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>O</mml:mtext></mml:math>(<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M4"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.03</mml:mn><mml:mo>÷</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mn>5</mml:mn></mml:math>) thin films were synthesized by sol-gel method. The structure and the surface morphology of zinc oxide thin films doped with transition metal (TM) ions have been investigated by X-ray diffraction (XRD) and atomic force microscopy (AFM). The magnetic studies were done using vibrating sample magnetometer (VSM) at room temperature. Experimental results revealed that the substitution of Ni ions in ZnO wurtzite lattice for the contents<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M5"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.03</mml:mn><mml:mo>÷</mml:mo><mml:mn>0.1</mml:mn><mml:mn>0</mml:mn></mml:math>(<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M6"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>Ni</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>2+</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math>) leads to weak ferromagnetism of thin films. For<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M7"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>Zn</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>F</mml:mtext><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>O</mml:mtext></mml:math>with<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M8"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.03</mml:mn><mml:mo>÷</mml:mo><mml:mn>0.05</mml:mn></mml:math>, the<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M9"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>Fe</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>3+</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math>ions are magnetic coupling by superexchange interaction via oxygen ions in wurtzite structure. For<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M10"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.10</mml:mn><mml:mo>÷</mml:mo><mml:mn>0.15</mml:mn></mml:math>(<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M11"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>Fe</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>3+</mml:mtext></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math>) one can observe the increasing of secondary phase of ZnFe<jats:sub>2</jats:sub>O<jats:sub>4</jats:sub>spinel. The Zn<jats:sub>0.9</jats:sub>Fe<jats:sub>0.1</jats:sub>O film shows a superparamagnetic behavior due to small crystallite sizes and the net spin magnetic moments arisen from the interaction between the iron ions through an oxygen ion in the spinel structure.</jats:p>