Физики БФУ им. И. Канта нашли взаимосвязь между структурой и магнитными свойствами перспективного керамического материала
Сотрудники НОЦ «Функциональные наноматериалы» Балтийского федерального университета им. И. Канта в составе международного коллектива исследовали связь структуры керамических материалов на основе феррита висмута (BiFeO3) с их магнитными свойствами. В своей работе ученые теоретически обосновали полученные результаты и определили факторы, влияющие на структурную эволюцию материалов и изменение их магнитного поведения. Работа сотрудников БФУ им. И. Канта позволит создавать новые керамические материалы с заданными свойствами. Статья исследователей
опубликована в
Journal of Physics and Chemistry of Solids. Феррит висмута представляет собой минерал со структурой перовскита (минерал на основе кальция и титана), содержащий также атомы кислорода. Такой же структурой обладают широко известные высокотемпературные сверхпроводники – материалы, способные при определенной температуре проводить электрический ток без сопротивления. Многие материалы, обладающие кристаллической решеткой перовскита, нашли свое применение в качестве преобразователей солнечной энергии.
Добавление в исходный феррит висмута ионов различных элементов приводит к изменению кристаллической решетки, а, следовательно, и физических свойств всего материала. Физики БФУ им. И. Канта внедряли ионы металлов: кальция, марганца, титана и ниобия – и измеряли магнитные характеристики материала. Выяснилось, что независимо от типа переходных элементов внедрение других атомов приводит к сжатию кристаллической решетки. Это, в свою очередь, сопровождается изменением магнитной структуры материала. Он теряет спонтанную поляризацию, то есть дипольные моменты атомов, которые определяют направления воздействия электрических сил, перестают строго ориентироваться в отсутствие внешнего электрического поля. При добавлении атомов других металлов феррит висмута также теряет свои антиферромагнитные свойства: дипольные моменты атомов перестают быть направленными друг против друга. Более того, при совместном добавлении кальция с титаном и кальция с ниобием магнитная структура материала меняется на ферромагнитную: дипольные моменты становятся сонаправленными. У этих образцов после прекращения воздействия магнитного поля наблюдалась остаточная намагниченность – свойство, характерное для ферромагнетиков.
«Мы показали, что магнитные свойства материалов на основе феррита висмута во многом определяются структурными искажениями, вызванными замещением, дефектами решетки и характером обменного взаимодействия между атомами железа, кислорода и переходного металла. Слабые ферромагнитные состояния, которые появились в соединении при совместном добавлении кальция с титаном и кальция с ниобием, обусловлены взаимодействием между магнитными атомами, происходящим через немагнитные. Оно обычно не принимается в расчет ввиду своей небольшой величины, но в случае антиферромагнетиков оно может давать существенные изменения в магнитном поведении материала», – говорит один из авторов работы, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НОЦ «Функциональные наноматериалы» Вадим Сиколенко.
Работа выполнена совместно с учеными из Национального исследовательского университета «МИЭТ», Научно-практического центра НАН Белоруссии по материаловедению, Первого московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова, Объединенного института ядерных исследований, Коимбрского университета (Португалия) и Лодзинского университета (Польша).
Картинка 1. Фотография, сделанная сканирующим электронным микроскопом, на которой видно сосуществование двух фаз мультиферроика: ромбоэдрической и орторомбической. Справа: картинки рассчитанной фурье-плотности электронных состояний для этих двух фаз при разных температурах. (фотография сделана при комнатной температуре)
Партнёр:
Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта