Synthesis of Manganese Oxide and Cobalt Doped Manganese Oxide by Hydrothermal Method for Atmospheric Water Harvesting and Spintronics Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF SABA SABIR MS Thesis.pdf - Published Version Restricted to Repository staff only until 14 May 2027. Download (3MB)

Arabic Abstract

سبينترونيكس هو مجال ناشئ في الفيزياء حيث يتم استخدام دوران حاملي الشحنة إلى جانب شحنة الحامل. نيتريد المنغنيز هو مادة مضادة للتماسك المغناطيسي يمكن استخدامها في تطبيقات السبينترونيكس. هنا نبلغ عن تخليق وتوصيف أفلام رقيقة من نيتريد المنغنيز بواسطة الترسيب بالرش المغناطيسي بتيار مستمر. تم تحضير عدة أفلام عند طاقات رش مختلفة لليزر المنغنيز في أجواء النيتروجين والأرجون. وُجد أن أفلام نيتريد المنغنيز تحتوي على أكسجين عرضي بسبب ضغط الأكسجين الجزئي المتبقي في حجرة النمو. تم إجراء حيود الأشعة السينية لتقييم البلورية للأفلام. كشفت التحليل الطيفي أن أفلامنا لها فجوة طيفية ووجدنا انزياح أزرق في الفجوة ا. مع كثافة حامل أعلى لوحظت في الأفلام المزروعة بمحتوى منغنيز أعلى. أكدت تقنية الأشعة السينية للفوتوالإلكترون (XPS) أنه تم العثور على المنغنيز إما في حالات الأكسدة Mn+2 أو Mn+3 أو Mn+4، مما يشير إلى آلية القفز للبولارون الصغير للتوصيل الكهربائي. كشفت قياسات المغناطيسية الكهربائية عن تمغنط الأفلام كدالة لقوة رش المنغنيز. الجزء الثاني من هذه الرسالة كان تركيب وتوصيف أكاسيد المنغنيز وأكسيد المنغنيز المخدر بالكوبالت (MnO₂) على شكل هياكل نانوية عبر الطريقة المائية الحرارية، باستخدام الإطار المعدني العضوي المعتمد على المنغنيز (Mn–BDC) كمصدر أولي. تم إدخال الكوبالت بتركيزات تتراوح من 1% إلى 10%. أكدت حيود الأشعة السينية (XRD) نجاح تركيب δ-MnO₂ في الاتجاه (001)، مع الحفاظ على نقاء الطور بواسطة الإضافة. كشفت قياسات تأثير هول عن زيادة كثافة الحاملات مع الإضافة تلتها انخفاض، مما يبرز تأثير تركيز الكوبالت. قامت تقنية الأشعة السينية للفوتوالإلكترون (XPS) بالتحقق من حالات أكسدة الكوبالت وتوزيعه في الأفلام. أظهرت تحليلات مساحة السطح والمسامية وجود بنية مسامية متوسطة تأثرت بالتطعيم بالكوبالت. وأكدت اختبارات امتصاص الماء زيادة في المحبة للماء، مما يشير إلى إمكانات الأغشية في تطبيقات جمع المياه..

English Abstract

Spintronics is an emerging field of physics where spin of the charge carriers is utilized along with the charge of the carriers. Manganese nitride is an antiferromagnetic material that can be utilized in spintronic applications. Here we report the synthesis and characterization of manganese nitride thin films by DC magnetron sputtering. Several films were prepared at different sputtering power of the manganese target in nitrogen and argon ambient. Manganese nitride films were found to contain adventitious oxygen due to the residual oxygen partial pressure in the growth chamber. X-ray diffraction was performed to assess the crystallinity of the films. Spectrophotometry revealed that our films have bandgap and found blue shift in the bandgap as a function of sputtering power. Hall effect measurements showed n-type conductivity with higher carrier density observed for films grown with higher Mn content. XPS confirmed Mn was found to be either in Mn+2, Mn+3 or Mn+4 oxidation states, which indicates small polaron hopping mechanism for electrical conduction. Magnetoresistance measurements revealed the magnetization of the films as a function of manganese sputtering power. Second part of this thesis was the synthesis and characterization of manganese oxide and cobalt-doped manganese oxide (MnO₂) nanostructures via the hydrothermal method, using Mn-based metal-organic framework (Mn–BDC) as a precursor. Cobalt was incorporated at concentrations ranging from 1% to 10%. X-ray diffraction (XRD) confirmed the successful synthesis of δ-MnO₂ in the (001) direction, with doping preserving phase purity. Hall effect measurements revealed an increase in carrier density with doping followed by a decrease highlighting the impact of cobalt concentration. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) verified cobalt's oxidation states and distribution in the films. Surface area and porosity analysis showed a mesoporous structure influenced by cobalt doping. Water absorption tests demonstrated enhanced hydrophilicity, indicating the films' potential for water harvesting applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Thesis Advisor:	Muhammad Haider,
Thesis Committee Members:	Amir Al-ahmed, Watheq Albasheer,
Depositing User:	SABA SABIR (g202392770)
Date Deposited:	17 May 2026 05:36
Last Modified:	17 May 2026 05:36
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144293