Ferromagnetic stability optimization via oxygen-vacancy control in single-atom Co/TiO 2 nanostructures

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作者
Vinod K. Paidi,Byoung‐Hoon Lee,Alex Taekyung Lee,Sohrab Ismail‐Beigi,Elizaveta Grishaeva,Sami Vasala,Pieter Glatzel,Wonjae Ko,Docheon Ahn,Taeghwan Hyeon,Younghak Kim,Kug‐Seung Lee
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:121 (48) 被引量:1
标识
DOI:10.1073/pnas.2409397121
摘要

Oxygen vacancies and their correlation with the nanomagnetism and electronic structure are crucial for applications in dilute magnetic semiconductors design applications. Here, we report on cobalt single atom-incorporated titanium dioxide (TiO 2 ) monodispersed nanoparticles synthesized using a thermodynamic redistribution strategy. Using advanced synchrotron-based X-ray techniques and simulations, we find trivalent titanium is absent, indicating trivalent cations do not influence ferromagnetic (FM) stability. Density functional theory calculations show that the FM stability between Co 2+ ions is very weak. However, electron doping from additional oxygen vacancies can significantly enhance this FM stability, which explains the observed room-temperature ferromagnetism. Moreover, our calculations illustrate enhanced FM interactions between Co Ti + V O complexes with additional oxygen vacancies. This study explores the electronic structure and room-temperature ferromagnetism using monodispersed nanocrystallites with single-atom-incorporated TiO 2 nanostructures. The strategies described herein offer promise in revealing magnetism in other single-atom-incorporated nanostructures.
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