Описание и свойства мультиферроиков - Мультиферроики
Мультиферроики -- это кристаллы, одновременно сочетающие в себе свойства сегнетоэлектриков или антисегнетоэлектриков и ферромагнетиков или антиферромагнетиков, а также сегнетоэластичность.
В мультиферроиках, помимо свойств, характерных для каждого типа упорядочения в отдельности (спонтанная намагниченность, магнитострикция, спонтанная поляризация и пьезоэлектрический эффект) присутствуют свойства, связанные с взаимодействием электрической и магнитной подсистем:
- - магнитоэлектрический эффект (индуцированная магнитным полем электрическая поляризация и индуцированная электрическим полем намагниченность); - эффект магнитоэлектрического контроля (переключение спонтанной поляризации магнитным полем и спонтанной намагниченности электрическим полем); - магнитодиэлектрический эффект (изменение диэлектрической постоянной под действием магнитного поля) [1].
Существуют два основных типа мультиферроиков:
А) мультиферроики I типа;
Магнетизм и сегнентоэлектричество возникают независимо друг от друга. мультиферроик синтез феррит висмут
Мультиферроики первого типа исследуются дольше, их открыто большее количество. Для них температура магнитного упорядочения ниже температуры электрического упорядочения. Величина поляризации достаточно высока (~10 - 100 мКл/см2). Однако связь между двумя типами упорядочения слаба.
Б) мультиферроики II типа.
Появление сегнетоэлектрического упорядочения является следствием существования магнитного упорядочения. Мультиферроикам второго типа свойственны низкие температуры упорядочения. Поскольку сегнетоэлектричество появляется вследствие магнитного упорядочения, температура сегнетоэлектрического перехода всегда ниже температуры магнитного перехода. Величина поляризации низкая (~10? 2 мКл/см2). Связь между двумя типами упорядочения сильная.
Характерными примерами мультиферроиков являются: феррониобаты (Pb(Fe1/2Nb1/2)O3), ферровольфраматы (Pb(Fe2/3W1/3)O3), кобальтовольфраматы (Pb(Co1/2W1/2)O3), ферриты (BiFeO3), ванадаты (PbVO3), манганаты (BiMnO3) [2].
Свойствами мультиферроиков являются:
- (анти-) сегнетоэлектрические;
Они заключаются в явлении возникновения в определенном интервале температур спонтанной поляризации в кристалле, даже в отсутствии внешнего электрического поля, которая может быть переориентирована его приложением. У антисегнеэлектриков явление заключается в том, что в определенном интервале температур у рядом стоящих ионов кристаллической решетки электрические дипольные моменты ориентированы антипараллельно. При наложении внешнего электрического поля в материале возникает слабая поляризация. При этом максимум диэлектрической проницаемости материала наблюдается в точке Кюри. При достаточно сильных полях антисегнетоэлектрик может перейти в сегнетоэлектрическое состояние [3].
- (анти-) ферромагнетические;
Явление состоит в том, что ниже определенной критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, такое вещество (при температуре ниже точки Кюри) способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. У антиферромагнетиков магнитные моменты соседних частиц ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно), и поэтому намагниченность тела в целом очень мала [4].
- сегнетоэластические.
Это свойство заключается в спонтанной деформации кристаллической решетки при понижении температуры и фазовом переходе. Структурный фазовый переход осуществляется из более симметричной параэластической фазы в сегнетоэластическую. В результате такого перехода в кристалле возникают сегнетоэластические домены, различающиеся ориентацией кристаллической решетки. Но, так как расположение доменов определяется исходной симметрией кристалла, в целом симметрия в кристалле сохраняется. Под воздействием внешнего механического напряжения домены могут менять ориентационное состояние, что обусловливает нелинейный характер зависимости деформации от механического напряжения. Он становится подобен петле гистерезиса [1].
В качестве объекта исследования был выбран феррит висмута так как он является хорошо изученным магнитоэлектриком с достаточно высокими температурами фазовых переходов (TK ? 1098K, TN=643K) и, следовательно, обладает магнитоэлектрическим эффектом при комнатной температуре. В BiFeO3 ионы Bi3+ являются основной причиной возникновения сегнетоэлектричества. Так как у них есть инертная 6s электронная пара. Таким парам свойственна высокая поляризуемость -- необходимое условие для возникновения сегнетоэлектричества. Наглядно появление поляризации можно представить, как процесс упорядочения таких электронных пар в одном направлении. В объемном виде BiFeO3 обладает ромбоэдрически искаженной структурой перовскита. Элементарная ячейка может быть представлена как в гексагональном, так и в псевдокубическом виде (рисунок 1.1). В псевдокубическое представлении элементарная ячейка содержит две структурные единицы. Атомы кислорода располагаются в центрах граней кубического каркаса из ионов висмута. В то время как гексагональную ячейку можно представить, как ячейку, образованную диагоналями граней ячейки перовскита [5].
Рисунок 1.1 - Элементарная ячейка феррита висмута в гексагональном и псевдокубическом представлении
На рисунке 1.2 можно видеть искаженную псевдокубическую ячейку перовскита, где ионы Fe3+ и Bi3+ смещены от своих центросимметричных положений вдоль направления. Было обнаружено, что феррит висмута имеет спонтанную поляризацию вдоль этого направления направлении. В объемном феррите висмута проблема утечки заряда возникает из-за нестехиометрии и дефектов, что и ограничивает практическое применение этого материала в виде объемного кристалла [6].
Рисунок 1.2 - Кристаллическая структура монокристалла феррита висмута
В системе Bi2O3 - Fe2O3 легко возникают неравновесные состояния вследствие близости температур фазовых переходов и инконгруэнтного плавления ферритов. Так, BiFeO3 - стабильное соединение с фазовым в пароэлектрическое состояние при 1098 K. Но оно плавится инконгруэнтно, и для его получения может быть использована ветвь кристаллизации, определяемая фазовой диаграммой системы. Диаграмма состояния системы Bi2O3 - Fe2O3 приведена на рисунке 1.3. В данной системе образуются следующие соединения: Bi26-xFeXO39 (силленит), Bi2Fe4O9 и BiFeO3. Соединения 20:1 (силленит), 1:1 (BiFeO3) и 1:2 (Bi2Fe4O9) плавятся инконгруэнтно при 1068, 1203 и 1233 К, соответственно [7].
Рисунок 1.3 - Диаграмма состояния системы Bi2O3 - Fe2O3
При таком виде упорядочения (рисунок 1.4) магнитный момент каждого иона железа окружен шестью магнитными моментами ионов железа с антипараллельным направлением спина. Было так же выяснено, что BiFeO3 имеет пространственно-модулированную спиновую структуру, представляющую собой циклоиду с периодом 620 Е. Симметрия кристалла допускает существование линейного магнитоэлектрического эффекта и слабого ферромагнетизма. Однако, при обычных условиях магнитоэлектрический эффект не наблюдается вследствие наличия циклоиды. Таким образом, необходимым условием возникновения магнитоэлектрического эффекта является разрушение пространственно-модулированной структуры [2].
Рисунок 1.4 - Магнитная структура феррита висмута
Похожие статьи
-
Применение мультиферроиков - Мультиферроики
Мультиферроиковые композитные структуры в объемной форме исследуются для высокочувствительных датчиков переменного магнитного поля и электрически...
-
Анализ обоснование выбора феррита висмута - Мультиферроики
Феррит висмута по сравнению с другими материалами своего ряда имеет одно большое преимущество: доступную температуру эксплуатации. Так, большинство...
-
Методы, применяющиеся для синтеза мультиферроиков - Мультиферроики
Для синтеза мультиферроиков используются различные методы синтеза. К ним относятся: спекание, гидротермальный синтез, соосаждение, золь-гель метод,...
-
Физика низких температур - Свойства веществ при низких температурах
Применение Низкие температуры сыграло решающую роль в изучении конденсированного состояния. Особенно много новых и принципиальных фактов и...
-
Свойства веществ при низких температурах - Свойства веществ при низких температурах
Работы в области жидкого гелия представляют интерес в основном потому, что проводятся вблизи абсолютного нуля, т. е. при очень низких температурах. В то...
-
Введение - Получение, строение и свойства полистирола
Термопласты - полимерные материалы, способные обратимо переходить при нагревании в высокоэластичное либо вязкотекучее состояние. При обычной температуре...
-
Измерение низких температур - Свойства веществ при низких температурах
Первичным термометрическим прибором для измерения термодинамической температуры вплоть до 1 К служит Газовый термометр . Др. вариантами первичного...
-
СВОЙСТВА., ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. - Галлий
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. Галлий - относительно мягкий, ковкий металл, блестящего серебристого цвета с голубовато-серыми штрихами. Он плавится при 29,78 С...
-
Свойства и важнейшие характеристики - Полимеры
Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать...
-
Окружающий нас атмосферный воздух является смесью газов. Он практически всегда бывает влажным. Водяные пары в отличие от других составляющих смеси могут...
-
Фуллериты Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами. Наиболее изученная система такого рода -- кристалл С60,...
-
Свойства и важнейшие характеристики. - Полимерные соединения
Линейные полимеры обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Важнейшие из этих свойств: способность образовывать...
-
Введение - Свойства веществ при низких температурах
Проблемой изучения свойств веществ при низких температурах занимались многие ученые. Для этого требовались сжиженные газы. Определенных успехов в...
-
Пайка меди и ее сплавов - Изменение физико-химических свойств материалов путем диффузии
Технически чистая медь имеет высокие теплопроводность и электропроводность, и достаточно высокую коррозионную стойкость. Она устойчива к атмосферной...
-
Полимерами называют вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев одинаковой структуры. Полимеры встречаются в природе -...
-
Физические свойства кремнийорганических полимеров - Кремнийорганические полимеры
Кремнийорганические полимерные жидкости не имеют запаха, сильно различаются по вязкости, температуре кипения и замерзания. Они очень термостойки и если...
-
Физика низких температур, Низкие температуры - Свойства веществ при низких температурах
Низкие температуры Низкие температуры, криогенные температуры, обычно температуры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (около 80 К). Такие...
-
Заключение - Свойства веществ при низких температурах
Таким образом, мы имели интересное явление: струя вырывается, но количество гелия не изменяется. Объяснение этому явлению я дам несколько позже, а прежде...
-
Свойства благородных газов, Физические свойства - Благородные газы и их свойства
Физические свойства Все благородные газы не имеют цвета, вкуса и запаха, плохорастворимы в воде, обладают низкими температурами плавления и кипения....
-
Для получения монокристаллов арсенида индия с высокими и стабильными электрофизическими параметрами необходимо использовать высокочистые исходные...
-
МЛЭ - один из современных и много обещающих технологических методов выращивания тонких монокристаллических полупроводниковых структур. Для осаждения...
-
Физические и химические свойства - Сера и ее роль в жизни
Атомы серы обладают уникальной способностью образовывать устойчивые гомоцепи, т. е. цепи, состоящие только из атомов S (энергия связи S-S составляет...
-
Применение благородных газов - Благородные газы и их свойства
Благородные (или инертные) газы, а также их соединения нашли широкое применение в науке и технике. Гелий является важным источником низких температур....
-
Введение - Физические и химические свойства кремния
Кремний - широко распространенный элемент в природе. В земной коре его 27.6%. атомный вес кремния 28.06. температура плавления 1415°C, температура...
-
Физические и химические свойства алюминия, Физические свойства - Алюминий и его свойства
Физические свойства Алюминий в свободном виде -- серебристо-белый металл, обладающий высокой тепло - и электропроводностью. Алюминий имеет невысокую...
-
Соединения и их свойства, Оксиды алюминия - Алюминий и его свойства
Оксиды алюминия Оксид алюминия образует несколько полиморфных разновидностей, или форм, имеющих одинаковый химический состав, различное строение...
-
Получение, Изотопы, Физические свойства, Химические свойства - Краткие сведения о кобальте
Кобальт получают в основном из никелевых руд, обрабатывая их растворами серной кислоты или аммиака. Также используется методы пирометаллургии. Для...
-
На воздухе галлий устойчив при обычной температуре, так как покрывается, подобно алюминию, прочной оксидной пленкой. Выше 260 C в сухом кислороде...
-
Химические свойства Бора. - Третья группа периодической системы
Химически Бор при обычных условиях довольно инертен (взаимодействует активно лишь с фтором), причем кристаллический Бор менее активен, чем аморфный. С...
-
3. Физические свойства, Химические свойства - Золото
Чистое золото - мягкий металл желтого цвета. Красноватый оттенок некоторым изделиям из золота, например: монетам придают примеси других металлов, в...
-
Химические свойства Алюминия. - Третья группа периодической системы
Внешняя электронная оболочка атома Алюминия состоит из 3 электронов и имеет строение 3s23р1. В обычных условиях Алюминий в соединениях 3-валентен, но при...
-
Физико-химические свойства кремния - Физические и химические свойства кремния
Кремний - это мелкий бурый порошок или серые, твердые, но довольно хрупкие кристаллы (пл. 2,4). В кристаллическом состоянии кремний хорошо проводит...
-
А) Углерод (С), кремний (Si), германий (Ge), олово (Sn), свинец (РЬ) - элементы 4 группы главной подгруппы ПСЭ. На внешнем электронном слое атомы этих...
-
Физические свойства воды. В современной шкале измерений вода принята за эталон по очень многим показателям. Температурой таяния льда является 0 градусов...
-
С кислородом большинство металлов образует оксиды - амфотерные и основные: 4Li + O2 = 2Li2O, 4Al + 3O2 = 2Al2O3. Щелочные металлы, за исключением лития,...
-
Положение металлов в ПС. Физические свойства металлов. Методы получения металлов - Основы химии
Металлы располагаются в основном в левой и нижней части ПС К физическим свойствам относятся плотность, плавление (температура плавления),...
-
Физические свойства, Общая химическая характеристика кадмия - История открытия и свойства кадмия
Кадмий _ Серебристо-белый , отливающий синевой Металл , тускнеющий на воздухе из-за образования защитной пленки оксида. Температура плавления - 321C,...
-
Фенолфталеин - один из наиболее широко используемых в химии кислотно-основных индикаторов. Он относится к триарилметановым красителям, называемых...
-
Физические свойства Магния. - Химический элемент Магний
Физические свойства магния. Магний - серебристо-белый блестящий металл, сравнительно мягкий и пластичный, хороший проводник тепла и электричества. Почти...
-
Свойства, получение и применение компонентов разделяемой смеси Анизол C7H8O / С6Н5ОСН3 Молекулярная масса: 108.1 Температура кипения: 155°C Температура...
Описание и свойства мультиферроиков - Мультиферроики