Effect of cobalt doping on microstructures and dielectric properties of ZnO

Pure and cobalt-doped ZnO nanoparticles (2.5, 5, 7.5, and 10 atom % Co) are synthesized by sol-gel method. The as-synthesized nanoparticles are characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM) analysis. The nanoparticles of 0, 2.5, and 5 atom % Co-doped ZnO exhibited hexagonal wurtzite structure and have no other phases. Moreover, the (101) diffraction peaks position of Co-doped ZnO shift toward a smaller value of diffraction angle compared with pure ZnO powders. The results confirm that Co ions were well incorporated into ZnO crystal lattice. Simultaneously, Co doping also inhibited the growth of particles, and the crystallite size decreased from 43.11 nm to 36.63 nm with the increase in doping concentration from 0 to 10 atom %. The values of the optical band gap of all Co-doped ZnO nanoparticles gradually decreased from 3.09 eV to 2.66 eV with increasing Co content. Particular, the dielectric constant of all Co-doped ZnO ceramics gradually increased from 1.62 x [10.sup.3] to 20.52 x [10.sup.3], and the dielectric loss decreased from 2.36 to 1.28 when Co content increased from 0 to 10 atom %. Key words: cobalt doping, ZnO, dielectric properties, ceramics, nanoparticles. Nous avons synthetise des nanoparticules de ZnO pur et dope au cobalt (2,5 at. %, 5 at. %, 7,5 at. % et 10 at. % de Co) par une methode sol-gel. Nous avons caracterise telles quelles les nanoparticules resultantes par diffraction des rayons X (DRX), spectroscopie infrarouge a transformee de Fourier (FTIR) et microscopie electronique a balayage a emission de champ (MEB-EC). Les nanoparticules de ZnO dopees a 0 at. %, 2,5 at. % et 5 at. % de Co ont revele une structure de wurtzite hexagonale sans presenter aucune autre phase. En outre, nous avons observe que la position (101) des pics de diffraction du ZnO dope au Co est deplacee vers une valeur plus faible d'angle de diffraction comparativement aux poudres de ZnO pur. Les resultats confirment que les ions de Co ont bien ete incorpores dans le reseau cristallin du ZnO. Parallelement, le dopage au Co a aussi inhibe la croissance des particules et la taille des cristallites, qui est passee de 43,11 nm a 36,63 nm, en fonction de l'augmentation de la concentration de dopage dans l'intervalle de 0 a 10 at. %. Les valeurs de la bande interdite optique de toutes les nanoparticules de ZnO dope au Co ont graduellement diminue, passant de 3,09 eV a 2,66 eV, en fonction de l'augmentation de la teneur en Co. Notamment, la constante dielectrique de toutes les ceramiques de ZnO dope au Co a graduellement augmente, passant de 1,62 x [10.sup.3] a 20,52 x [10.sup.3], et la perte dielectrique a diminue, passant de 2,36 a 1,28, en fonction de l'augmentation de la teneur en Co dans l'intervalle de 0 a 10 at. %. [Traduit par la Redaction] Mots-cles : dopage au cobalt, ZnO, proprietes dielectriques, ceramiques, nanoparticules.
Introduction In the last decades, nanostructured zinc oxides (ZnO) have gained a lot of attention due to their potential applications in different areas of science and technology. (1) ZnO is [...]