SEMICONDUCTORES MAGNÉTICOS DILUIDOS NANOESTRUCTURADOS.

SEMICONDUCTORES MAGNÉTICOS DILUIDOS
NANOESTRUCTURADOS, NUEVOS
MATERIALES PARA ESPINTRÓNICA
R. E. Melgar 1 A. R. Vázquez-Olmos 2
1 Facultad de Estudios Superiores de Cuautitlán, Universidad Nacional Autónoma de
México. E-mail: estheffi@hotmail.com
2 Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico, Universidad Nacional Autónoma
de México. E-mail: america.vazquez@ccadet.unam.mx
Resumen
Se llevó a cabo la síntesis y
caracterización de nanopartículas de de
un material semiconductorsemimagnético,
el cual se espera que
presenten potenciales aplicaciones en
espín electrónica. Este material está
formando por nanopartículas de In 2 O 3
dopadas con cationes metálicos de la
primera serie de transición (Mn (III), Fe
(III) y Co (III)) con diámetros promedio
entre 10 y 11 nm. Estos cationes fueron
elegidos en función de su configuración
electrónica, es decir del número de
electrones desapareados, y de sus radios
iónicos [1] . Se espera que estos óxidos
multifuncionales jueguen un papel
importante en el futuro de la electrónica.
Introducción
La espín electrónica también conocida
como espintrónica o magneto electrónica,
es un campo que combina elementos de
magnetismo en pequeña escala con
dispositivos electrónicos basados en
semiconductores. La importancia de estos
dispositivos electrónicos es que las
corrientes están formados por espines
polarizados y estos son empleados para
crear simultáneamente nuevas funciones
como controlar el flujo de corriente y/ó el
almacenamiento de datos.
En este sentido, existe el interés de
desarrollar materiales semiconductores
diluidos (SMD), también conocidos como
semiconductores semimagnéticos [2] .
En estos materiales una fracción de los
cationes que los componen son
remplazados por cationes de transición o
bien por cationes de tierras raras.
La característica más importante de estos
materiales es que los estados de
magnetización influyen en las
propiedades electrónicas a través de una
interacción de intercambio de espines
entre los momentos magnéticos locales y
la carga del semiconductor.
En este trabajo se llevó acabo la
mecanosíntesis [3] de nanopartículas de
In 2 O 3 y de In 2 O 3 dopado (5% en peso)
con metales de la primera serie de
transición.
El oxido de indio es un material
semiconductor intrínseco, tipo n, con una
energía de brecha prohibida o band gap
de Eg= 3.6-3.75 eV [4] y un radio de Bohr
de 2.14-2.4 nm [5,6] .
En particular, la conductividad, movilidad
y concentración de acarreadores del In 2 O 3
pueden favorecer la inducción del
magnetismo.
La fase mas estable del In 2 O 3 presenta un
arreglo cristalino cubico centrado en el
cuerpo. El catión In (III) ocupa posiciones
octaédricas y tetraédricas mientras que los
cationes de O 2- pueden generar vacancias.

Dicha versatilidad puede ser aprovechada
en el dopado de este material ya que al
poseer dos sitios de coordinación
diferentes, el catión transicional tendera a
adoptar alguno de estos sitios
sustituyendo el In (III) y no formando
cúmulos aislados.
Por otro lado, los materiales con
dimensiones nanométricas, presentan un
comportamiento intermedio entre los
sistemas electrónicos discretos (átomos o
moléculas) y sistemas con estados
electrónicos continuos (macro cristal). En
los materiales nanoestructurados, los
efectos de confinamiento que
experimentan los electrones más externos
generan que las propiedades físicas y
químicas se modifiquen drásticamente.
Método de síntesis
Para obtener las nanopartículas de In 2 O 3 y
In 2 O 3 dopado con (M (III)= Mn, Fe y
Co), se emplearon 1x10 -3 moles de sal de
acetato de indio, posteriormente se
agregaron lentejas de KOH en relación
estequiometrica, llevando a cabo la
molienda de estos reactivos en un molino
de mortero digital durante 10 min. El
sólido obtenido se lavó en cinco
ocasiones con agua tridestilada para
eliminar las sales solubles y después en
tres ocasiones con acetona.
Posteriormente se dejo secar al aire.
Las reacciones que se llevan a cabo se
presentan a continuación:
que estos cationes puedan sustituir al In
(III) dentro de la red cristalina.
Resultados
Las nanopartículas obtenidas fueron
caracterizadas por difracción de rayos-X
en polvo, por espectroscopia de absorción
electrónica el la región UV-visible,
empleando la técnica de reflectancia
disfusa y por espectroscopía de dispersión
Raman. A continuación, en las figuras 1-2
se presentan los difractogramas de las
Nps de In 2 O 3 y de In 1-X Fe X O 3 obtenidas.
Como se puede observar, el patrón de
difracción de rayos-X de estas Nps es
muy similar, ya que por esta técnica no es
posible detectar las pequeñas cantidades
de los cationes dopantes. Los patrones de
difracción se ajustan perfectamente con la
tarjeta cristalográfica 6-0416, la cual
corresponde al In 2 O 3 en fase cúbica
centrado en el cuerpo.
Figura 1. Difracción de Rayos-X en polvo de
las Nps de In 2 O 3 obtenido por mecanosíntesis
después de calentar a 400°C durante 1 hr.
molienda
In (OAc) 3
+ 3KOH In(OH) 3 + 3 K(OAc)
T. A.
400°C/1hr
2 In(OH) 3
In 2
O 3
+ 3OH 2
Las nanoparticulas de In 2 O 3 dopados con
los cationes de transición antes
mencionados, se obtuvieron de la misma
manera que para el In 2 O 3, sustituyendo el
5% en peso de In (III) por los cationes de
Mn (III), Fe (III) y Co (III). Se espera que
Figura 2. Difracción de Rayos-X en polvo de
las Nps de In 2-X Fe X O 3 obtenidas por
mecanosíntesis, después de calentar a 400°C
durante 1 hr

Absorbancia (u. a.)
Intensidad (u. a.)
Empleando la ecuación de Scherrer-
Warren se determinó un diámetro
promedio de partícula de 11.5 nm para
In 2 O 3 , 10.4 nm para In 2-X Fe X O 3 , 9.9 nm
para In 2-X Mn X O 3 y de 10.5 nm para In 2-
XCo X O 3 .
En la figura 3, se presentan los espectros
de absorción electrónica de todos los
sistemas obtenidos. Se puede observar
que todos siguen el patrón característico
del In 2 O 3 . Se aprecia un importante
corrimiento hacia el azul respecto a lo
observado para el In 2 O 3 en bulk, (band
gap de 3.67 eV ó 338 nm), debido a
efectos de confinamiento electrónico.
Reacciones después de calentar a 400°C
In 2 O 3 + Co(III)
In 2 O 3
In 2 O 3 + Mn(III)
In 2 O 3 + Fe (III)
Conclusiones
Se lograron obtener nanoestructuras
de In 2 O 3 y de In 2 O 3 dopado con Mn(III),
Fe(III) y Co(III) con diámetros promedio
entre 10 y 11 nm, por un método de
síntesis sencillo, reproducible y de bajo
costo, el cual adicionalmente resulta ser
amigable con el medio ambiente, ya que
no se involucra ningún disolvente durante
la síntesis. Es necesario llevar a cabo un
estudio magnético y eléctrico de las
nanoestructuras obtenidas, para poder
evaluar su potencial aplicación en
dispositivos espín electrónicos.
Agradecimientos.
[5, 6, 7]
Los autores deseamos agradecer a la Dra.
Ana Leticia Fernández-Osorio, por su
apoyo para obtener los patrones de
difracción de rayos-X de los sistemas
obtenidos, y al Dr. Roberto Sato-Berrú,
por su ayuda para obtener los espectros
Raman.
Referencias
300 400 500 600 700 800
(nm)
Figura 3. Espectros de absorción electrónica
de las Nps de In 2 O 3 y de In 2 O 3 dopado.
Finalmente, los espectros obtenidos por
espectroscopia Raman muestran las
bandas características de In 2 O 3 con
simetría cúbica (ver figura 4).
308
368
419
496
617
200 300 400 500 600 700 800
Número de onda (cm -1 )
Figura 4. Espectro Raman de las Nps de
In 2 O 3 obtenidas por mecanosíntesis.
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[1] J. E. Huheey, E. A. Keiter, Química
Inorgánica. Principios de estructura y
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