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].

элементарная ячейка феррита висмута в гексагональном и псевдокубическом представлении

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].

кристаллическая структура монокристалла феррита висмута

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].

диаграмма состояния системы bi2o3 - fe2o3

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].

магнитная структура феррита висмута

Рисунок 1.4 - Магнитная структура феррита висмута

Похожие статьи




Описание и свойства мультиферроиков - Мультиферроики

Предыдущая | Следующая