Cu-Doped SnO 2 Nanocrystals: Tunable Magnetism, Critical Incorporation Limit, and Defect Configuration Analysis by EPR and Ab Initio DFT
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High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Copper in oxide semiconductors exhibits distinct electronic and magnetic behavior depending on its oxidation state, with Cu 1+ acting as a nonmagnetic impurity and Cu 2+ contributing to the magnetic moment. In SnO 2, Cu incorporation represents a heterovalent substitution for Sn 4+, which inherently promotes formation of compensating defects, particularly oxygen vacancies, that can strongly influence electronic and magnetic properties. To elucidate these effects, we investigated Cu-doped SnO 2 nanocrystals through combined experimental and theoretical approaches. Electron paramagnetic resonance (EPR) revealed that Cu incorporation of up to 3% enhances resonance intensity, consistent with isolated Cu 2+ ions in the SnO 2 matrix. Beyond 3%, the EPR signal intensity decreases, and hyperfine parameters stabilize due to Cu 2+ clustering and spin–spin interaction. Magnetization measurements revealed a paramagnetic phase (reflecting the presence of isolated Cu 2+ ) that coexists with a ferromagnetic phase attributed to bound magnetic polarons and magnetic clustering. Complementary first-principles calculations showed that Cu substitution modifies the electronic structure by introducing localized density of states variations and altering the spin–charge density distribution, particularly near oxygen vacancies. Deeper in-plane defects were found to stabilize magnetization, whereas surface defects promoted competing ferromagnetic and antiferromagnetic interactions. Structural characterization by X-ray diffraction and morphological analysis using high-resolution transmission electron microscopy further confirmed lattice compression and particle size reduction with increasing Cu-content. The calculated and experimental findings provide a comprehensive and interconnected understanding, not yet emphasized in the literature, of the interplay among defects, doping, and magnetism in Cu-doped SnO 2 .
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- Titre Crossref
- Cu-Doped SnO <sub>2</sub> Nanocrystals: Tunable Magnetism, Critical Incorporation Limit, and Defect Configuration Analysis by EPR and <i>Ab Initio</i> DFT
- Date Crossref
- 05/11/2025
- Éditeur
- American Chemical Society (ACS)
- Type
- journal-article
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Universidade Católica de Brasília pays non établi dans la noticeUniversité ou école supérieure
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