Propiedades físicas y estructurales de seleno-espinelas tipo CuCr2-xMxSe4

Abstract

La magnétoresistencia (MR) es una propiedad física interesante presente en ciertos compuestos que exhiben un cambio en su resistencia eléctrica si se aplica a campo magnético externo. El estudio de estos materiales permite el desarrollo tecnológico de dispositivos más eficientes con respecto al consumo de energía. El descubrimiento de la MR en compuestos tipo espinela despertó el interés en estudios estructurales, con la intención de modular y mejorar las propiedades magnéticas y eléctricas de estos materiales. Además, desde el punto de vista químico, las estructuras tipo espinelas permiten sustituciones en el sitio octaédrico y tetraédrico (modificación catiónica isovalente). En este trabajo de investigación se informa la síntesis y caracterización de seleno-espinelas con formula química CuCr2-xMxSe4 (M = Zr; Sn y X = 0.3; 0.5; 0.7). Estos materiales fueron obtenidos por medio del método cerámico de altas temperaturas. A las fases obtenidas se realizaron estudios estructurales y químicos mediante Difracción de rayos X, SEM-EDS y Espectroscopia Raman. Las propiedades magnéticas fueron analizadas mediante la Ley de CurieWeiss y las propiedades eléctricas fueron medidas por el método de las cuatro puntas con efecto Hall. La estructura cristalina las fases CuCr1.8Zro.2Se4, CuCr1.sZro.sSe4, CuCr1.7Sn0.3Se4, CuCr1.sSno.sSe4 y CuCrSnSe4fueron resultas mediante difracción de rayos X en monocristales. El análisis de espectroscopia Raman en estoS monocristales comprueban que son espinelas al poder asignar las mismas señales que la fase límite CuCr2Se4. Los espectros mostraron cambios de intensidad relativa debido a las sustituciones químicas realizadas. El polvo policristalino de las fases con formula CuCr2-xSnxSe4 fueron indexadas en el grupo espacial Fd3m; mientras que las sintetizadas con la formula CuCr2-xZrxSe4 presentan impurezas no-indexables. Los estudios de propiedades magnéticas efectuados en polvo policristalino para la fase CuCr1.7Sno.3Se4 indican que son materiales ferromagnéticos; mientras que la fase CuCr1.3Sno. Se4 se comportó como vidrio de spin. Esta modificación de las propiedades magnéticas es atribuible a la cantidad de estaño sustituido y la relación tamaño/estado de oxidación. El estudio de propiedades eléctricas de estas fases muestra la obtención de semiconductores tipo p con concentraciones de portadores de carga ~ 1019 cm-3. La resistencia eléctrica de la fase CUCr1.3Sno.7Se4 es 25 veces menor al aplicar un campo magnético de 0,5226 Tesla.

Magnetoresistance (MR) is an interesting physical property present in certain compounds that exhibit a change in their electrical resistance due to the presence of an external magnetic field. The study of these materials allows the technological development of devices more efficient with respect to energy requirements. The discovery of MR in spinel compounds stimulated interest in structural studies with the intention of modulating and improving magnetic and electrical properties. In addition, from a chemical point of view, the compounds with structures type-spinel allow substitutions on octahedral and tetrahedral site (isovalent cationic modification). In this research, the synthesis and characterization of Seleno-spinels with chemical formula CuCr2-xMxSe4 (M = Zr; Sn and X = 0.3; 0.5; 0.7) is reported. These materials were obtained by the ceramic method at high temperatures. Structural and chemical studies were performed using X-ray diffraction, SEMEDS and Raman spectroscopy on the obtained phases. Magnetic properties were analyzed by the Curie-Weiss Law and the electrical properties were measured by the four-probe method with Hall Effect. The crystalline structures of CuCr1.8Zro.2Se4, CuCr1.sZro.sSe4, CuCr1.7Sno.3Se4, CuCr1.5Sno.sSe4 and CuCrSnSe4 were determined by single-crystal X-ray diffraction. The analysis of Raman spectroscopy in these single-crystals indicates that they are spinel due to assigning of the same peaks as CuCr2Se4 end-member. Spectra showed changes of relative intensity due to chemical substitutions. The polycrystalline powder of CuCr2-xSnxSe4 phases were indexed in the Fd3m space group; while the phases with the formula CuCr2-xZrxSe4 show non-indexing impurities. Studies of of magnetic properties in polycrystalline powder CuCr1.7Sno 3Se4 phase indicate ferromagnetic materials; while CuCr1.3Sno.Se4 phase shows a spin glass behavior. This modification in magnetic properties is attributable to the amount of tin substituted and the size/oxidation-state ratio. The study of the electrical properties of these phases shows a semiconductors type-p behavior with carrier concentrations of~ 1019 cm-³. The electrical resistance of CuCr1.3Sno.7Se4 phase is 25 times lower when applying a magnetic field of 0.5226 Tesla.