In this study, we report on the optical and magnetic properties of Co-doped ZnO nanoparticles with increasing Co-content (CoxZn1−xO; x = 0.000, 0.005, 0.010, 0.030, 0.050, 0.070, and 0.100) synthesized by the combustion reaction method. The X-ray diffraction patterns and the Raman spectra of all samples indicated the formation of the ZnO hexagonal wurtzite phase (space group C46V). The Raman data also show the formation of a secondary Co3O4 phase, which is barely seen in the X-ray spectra. Photoacoustic spectroscopy and electron paramagnetic resonance confirm the presence of the two phases (CoxZn1−xO and Co3O4). Vibrating sample magnetometer measurements performed at room temperature exhibited hysteresis loops, indicating the presence of long-range magnetic ordering in the samples. Analysis of the magnetization as a function of magnetic field and temperature shows that the ferromagnetism in the as-synthesized samples comes from small Co-metallic inclusions, with an estimated radius of about 4.8 nm and blocking temperature around 595 K.

1.
Ü.
Özgür
,
Y.
Alivov
,
C.
Liu
,
A.
Teke
,
M. A.
Reshchikov
,
S.
Dogan
,
V.
Avrutin
,
S. J.
Cho
, and
H.
Morkoç
,
J. Appl. Phys.
98
,
041301
(
2005
).
2.
K.
Sato
and
H.
Katayama-Yoshida
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
39
,
L555
(
2000
).
3.
Spintronics, Semiconductors and Semimetals
, edited by
T.
Dietl
,
D. D.
Awschalom
,
M.
Kaminska
, and
H.
Ohno
(
Elsevier
,
Amsterdam
,
2008
), Vol. 82, p.
371
.
5.
A.
Bonanni
and
T.
Dietl
,
Chem. Soc. Rev.
39
,
528
(
2010
).
6.
J. M. D.
Coey
,
M.
Venkatesan
, and
C. B.
Fitzgerald
,
Nat. Mater.
4
,
173
(
2005
);
[PubMed]
J. M. D.
Coey
,
Curr. Opin. Solid State Mater. Sci.
10
,
83
(
2006
);
J. M. D.
Coey
, in
Handbook of Spin Transport and Magnetism
, edited by
E. Y.
Tsymbal
and
I.
Žutič
(
CRC Press
,
Boca Raton, FL
,
2012
).
7.
M. A.
Garcia
,
E.
Fernandez Pinel
,
J.
de la Venta
,
A.
Quesada
,
V.
Bouzas
,
J. F.
Fernández
,
J. J.
Romero
,
M. S.
Martín González
, and
J. L.
Costa-Krämer
,
J. Appl. Phys.
105
,
013925
(
2009
);
L. M. C.
Pereira
,
J. P.
Araújo
,
M. J.
Van Bael
,
K.
Temst
, and
A.
Vantomme
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
44
,
215001
(
2011
).
8.
M.
Sawicki
,
E.
Guziewicz
,
M. I.
Lukasiewicz
,
O.
Proselkov
,
I. A.
Kowalik
,
W.
Lisowski
,
P.
Dluzewski
,
A.
Wittlin
,
M.
Jaworski
,
A.
Wolska
,
W.
Paszkowicz
,
R.
Jakiela
,
B. S.
Witkowski
,
L.
Wachnicki
,
M. T.
Klepka
,
F. J.
Luque
,
D.
Arvanitis
,
J. W.
Sobczak
,
M.
Krawczyk
,
A.
Jablonski
,
W.
Stefanowicz
,
D.
Sztenkiel
,
M.
Godlewski
, and
T.
Dietl
,
Phys. Rev. B
88
,
085204
(
2013
);
L. M. C.
Pereira
,
J. P.
Araújo
,
U.
Wahl
,
S.
Decoster
,
M. J.
Van Bael
,
K.
Temst
, and
A.
Vantomme
,
J. Appl. Phys.
113
,
023903
(
2013
).
9.
C. S.
Lin
,
C. C.
Hwang
,
W. H.
Lee
, and
W. Y.
Tong
,
Mater. Sci. Eng. B
140
,
31
(
2007
).
10.
A. C.
Oliveira
,
A. L.
Tronconi
,
N.
Buske
, and
P. C.
Morais
,
J. Magn. Magn. Mater.
252
,
56
(
2002
).
11.
International Centre for Diffraction Data; JCPDS card No. 79–2205.
12.
International Centre for Diffraction Data; JCPDS card No. 78–1970.
13.
H. M.
Rietveld
,
J. Appl. Crystallogr.
2
,
65
(
1969
).
14.
A. C.
Larson
and
R. B.
Von Dreele
, “
General structure analysis system (GSAS)
,”
Los Alamos National Laboratory Report No. LAUR
(
1994
), p.
86
.
15.
B. H.
Toby
,
J. Appl. Cryst.
34
,
210
(
2001
).
16.
J.
Kaur
,
R. K.
Kotnala
,
V.
Gupta
, and
K. C.
Verma
,
Curr. Appl. Phys.
14
,
749
(
2014
).
17.
H.
Vargas
and
L. C. M.
Miranda
,
Phys. Rep.
161
,
43
(
1988
).
18.
19.
K. J.
Kim
and
Y. R.
Park
,
Solid State Commun.
127
,
25
(
2003
);
P. R.
Athey
,
F. K.
Urban
 III
,
M. F.
Tabet
, and
W. A.
McGahan
,
J. Vac. Sci. Technol. A
14
,
685
(
1996
).
20.
J.
Chen
,
X.
Wu
, and
A.
Selloni
,
Phys. Rev. B
83
,
245204
(
2011
);
K. M. E.
Miedzinska
,
B. R.
Hollebone
, and
J. G.
Cook
,
J. Phys. Chem. Solids
48
,
649
(
1987
).
21.
T. C.
Damen
,
S. P. S.
Porto
, and
B.
Tell
,
Phys. Rev.
142
,
570
(
1966
).
23.
F. J.
Manjón
,
K.
Syassen
, and
R.
Lauck
,
High Press. Res.
22
,
299
(
2002
).
24.
J.
Serrano
,
A. H.
Romero
,
F. J.
Manjón
,
R.
Lauck
,
M.
Cardona
, and
A.
Rubio
,
Phys. Rev. B
69
,
094306
(
2004
).
25.
Actually, the band at ∼330 cm−1 is a double difference mode: the E2high-E2low and the LO-B1low one.
26.
C. A.
Arguello
,
D. L.
Rousseau
, and
S. P. S.
Porto
,
Phys. Rev.
181
,
1351
(
1969
).
27.
L.
Bergman
,
X.-B.
Chen
,
J.
Huso
,
J. L.
Morrison
, and
H.
Hoeck
,
J. Appl. Phys.
98
,
093507
(
2005
).
28.
J.
Geurts
, in
Zinc Oxide: From Fundamental Properties Towards Novel Applications
, edited by
C. F.
Klingshirn
,
B. K.
Meyer
,
A.
Waag
,
A.
Hoffmann
, and
J.
Geurts
(
Springer
,
Berlin
,
2010
), p.
7
.
29.
L.
Artús
,
R.
Cuscó
,
E.
Alarcón-Lladó
,
G.
González-Díaz
,
I.
Mártil
,
J.
Jiménez
,
B.
Wang
, and
M.
Callahan
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
181911
(
2007
).
30.
F. J.
Manjón
,
B.
Mari
,
J.
Serrano
, and
A. H.
Romero
,
J. Appl. Phys.
97
,
053516
(
2005
).
31.
D. L.
Rousseau
,
R. P.
Bauman
, and
S. P. S.
Porto
,
J. Raman Spectrosc.
10
,
253
(
1981
).
32.
V. G.
Hadjiev
,
M. N.
Iliev
, and
I. V.
Vergilov
,
J. Phys. C
21
,
L199
(
1988
).
33.
M.
Schumm
,
M.
Koerdel
,
S.
Mueller
,
C.
Ronning
,
E.
Dynowska
,
Z.
Golacki
,
W.
Szuszkiewicz
, and
J.
Geurts
,
J. Appl. Phys.
105
,
083525
(
2009
).
34.
W.
Szuszkiewicz
,
M.
Jouanne
,
J. F.
Morhange
,
M.
Kanehisa
,
E.
Dynowska
,
K.
Gas
,
E.
Janik
,
G.
Karczewski
,
R.
Kuna
, and
T.
Wojtowicz
,
Phys. Status Solidi B
251
,
1133
(
2014
).
35.
J. E.
Stehr
,
B. K.
Meyer
, and
D. M.
Hofmann
,
Appl. Magn. Reson.
39
,
137
(
2010
).
36.
J. A.
Weil
and
J. R.
Bolton
,
Electron Paramagnetic Resonance
, 2nd ed. (
Wiley-Interscience
,
New Jersey
,
2007
), pp.
85
117
.
37.
A.
Mauger
,
Appl. Magn. Reson.
39
,
3
(
2010
).
38.
N.
Jedrecy
,
H. J.
von Bardeleben
,
Y.
Zheng
, and
J.-L.
Cantin
,
Phys. Rev. B
69
,
041308
(
2004
).
39.
J.
Hays
,
K. M.
Reddy
,
N. Y.
Graces
,
M. H.
Engelhard
,
V.
Shutthanandan
,
M.
Luo
,
C.
Xu
,
N. C.
Giles
,
C.
Wang
,
S.
Thevuthasan
, and
A.
Punnoose
,
J. Phys.: Condens. Matter
19
,
266203
(
2007
).
40.
W. L.
Roth
,
J. Phys. Chem. Solids
25
,
1
(
1964
).
41.
P.
Dutta
,
M. S.
Seehra
,
S.
Thota
, and
J.
Kumar
,
J. Phys. Condens. Matter
20
,
015218
(
2008
).
42.
M. S.
Seehra
and
D. L.
Huber
,
AIP Conf. Proc.
24
,
261
(
1975
).
43.
L.
He
,
C.
Chen
,
N.
Wang
,
W.
Zhou
, and
L.
Guo
,
J. Appl. Phys.
102
,
103911
(
2007
).
44.
A.
Sundaresan
,
R.
Bhargavi
,
N.
Rangarajan
,
U.
Siddesh
, and
C. N. R.
Rao
,
Phys. Rev. B
74
,
161306(R)
(
2006
).
45.
T.
Tietze
,
M.
Gacic
,
G.
Schütz
,
G.
Jakob
,
G.
Jakob
,
S.
Brück
, and
E.
Goering
,
New J. Phys.
10
,
055009
(
2008
).
46.
P.
Zhan
,
Z.
Xie
,
Z.
Li
,
W.
Wang
,
Z.
Zhang
,
Z.
Li
,
G.
Cheng
,
P.
Zhang
,
B.
Wang
, and
X.
Cao
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
071914
(
2013
).
47.
I. S.
Elfimov
,
S.
Yunoki
, and
G. A.
Sawatzky
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
216403
(
2002
).
48.
A.
Zukova
,
A.
Teiserskis
,
S.
van Dijken
,
Y. K.
Gun'ko
, and
V.
Kazlauskiene
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
232503
(
2006
).
49.
H. B.
de Carvalho
,
M. P. F.
de Godoy
,
R. W. D.
Paes
,
M.
Mir
,
A.
Ortiz de Zevallos
,
F.
Iikawa
,
M. J. S. P.
Brasil
,
V. A.
Chitta
,
W. B.
Ferraz
,
M. A.
Boselli
, and
A. C. S.
Sabioni
,
J. Appl. Phys.
108
,
033914
(
2010
).
50.
A. S.
Risbud
,
N. A.
Spaldin
,
Z. Q.
Chen
,
S.
Stemmer
, and
R.
Seshadri
,
Phys. Rev. B
68
,
205202
(
2003
).
51.
M.
Bouloudenine
,
N.
Viart
,
S.
Colis
,
J.
Kortus
, and
A.
Dinia
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
052501
(
2005
).
52.
T.
Dietl
,
T.
Andrearczyk
,
A.
Lipinska
,
M.
Kiecana
,
M.
Tay
, and
Y.
Wu
,
Phys. Rev. B
76
,
155312
(
2007
).
53.
A.
Barla
,
G.
Schmerber
,
E.
Beaurepaire
,
A.
Dinia
,
H.
Bieber
,
S.
Colis
,
F.
Scheurer
,
J.-P.
Kappler
,
P.
Imperia
,
F.
Nolting
,
F.
Wilhelm
,
A.
Rogalev
,
D.
Müller
, and
J. J.
Grob
,
Phys. Rev. B
76
,
125201
(
2007
).
54.
A.
Ney
,
K.
Ollefs
,
S.
Ye
,
T.
Kammermeier
,
V.
Ney
,
T. C.
Kaspar
,
S. A.
Chambers
,
F.
Wilhelm
, and
A.
Rogalev
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
157201
(
2008
).
55.
T.
Mousavand
,
T.
Naka
,
K.
Sato
,
S.
Ohara
,
M.
Umetsu
,
S.
Takami
,
T.
Nakane
,
A.
Matsushita
, and
T.
Adschiri
,
Phys. Rev. B
79
,
144411
(
2009
).
56.
S. A.
Makhlouf
,
J. Magn. Magn. Mater.
246
,
184
(
2002
);
M.
Sato
,
S.
Kohiki
,
Y.
Hayakawa
,
Y.
Sonda
,
T.
Babasaki
,
H.
Deguchi
, and
M.
Mitome
,
J. Appl. Phys.
88
,
2771
(
2000
);
S.
Takada
,
M.
Fujii
,
S.
Kohiki
,
T.
Babasaki
,
H.
Deguchi
,
M.
Mitome
, and
M.
Oku
,
Nano Lett.
1
,
379
(
2001
);
J.
Jiang
and
L.
Li
,
Mater. Lett.
61
,
4894
(
2007
).
57.
B. D.
Cullity
and
C. D.
Graham
,
Introduction to Magnetic Materials
, 2nd ed. (
Wiley
,
New Jersey
,
2009
), Chap. 11.
58.
J.
Nogués
and
I. K.
Schuller
,
J. Magn. Magn. Mater.
192
,
203
(
1999
).
59.
See, for example,
Nanomagnetism: Fundamentals and Applications
, edited by
C.
Binns
(
Elsevier
,
Oxford
,
2014
), Chap. 1.
You do not currently have access to this content.