Kontrolle und Kontrolle erneut: Änderung der magnetischen Richtung aufgrund der Spannung in Fe / BaTiO3

Physikalische Phänomene und Prozesse sind in allem vorhanden, was uns umgibt (auch chemische, aber heute nicht mehr). Setzen Sie sich an den Computer - Physik, schauen Sie aus dem Fenster auf die Birdies - Physik, überbelichten Sie das brennende Fleisch und es verwandelte sich in eine Kohle, das ist auch Physik. Von den gigantischen bis zu den kleinsten Objekten im Universum gibt es überall verschiedene Erscheinungsformen der Physik - Eigenschaften, Eigenschaften, Phänomene und Prozesse. Und was wollen viele Wissenschaftler, die fast alles über einen Prozess wissen? Natürlich Kontrolle. Die Steuerung physikalischer Prozesse kann viele nützliche Vorteile bringen, aber das Erreichen dieser Steuerung ist ein sehr komplexer Prozess, der häufig mit etwas verbunden ist, das nicht vollständig klar ist. Heute werden wir eine Studie betrachten, in der eine Gruppe von Wissenschaftlern beschlossen hat, die Fähigkeiten des magnetoelektrischen (ME) Effekts zu demonstrieren oder vielmehr die Kontrolle über die magnetische Richtung und Ordnung mittels eines elektrischen Feldes bei Raumtemperatur zu erlangen. Wie genau wird dies realisiert, was wird daraus gewonnen und wie sehen die Aussichten aus? Antworten erwarten uns wie immer im Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Wie bereits im Prolog erwähnt, basiert alles und jedes in dieser Studie auf dem magnetoelektrischen (ME) Effekt. Also was ist das? Der ME-Effekt ist die Beziehung zwischen Magnetismus und elektrischem Feld - elektrische Polarisation in einem externen Magnetfeld oder Magnetisierung in einem externen Magnetfeld. Eins verstärkt das andere. Interessante Sache, aber sehr wählerisch in Bezug auf die Temperatur. In den meisten Einkristallmaterialien mit ME-Effekt ist die Curie-Temperatur ziemlich niedrig, dh dieser Effekt manifestiert sich nur bei Temperaturen, die deutlich unter den Raumtemperaturen liegen. Und dies schränkt die praktische Anwendung des ME-Effekts trotz aller Nützlichkeit stark ein.

Dieser ärgerliche Nachteil kann behoben werden, indem nicht monostrukturierte Materialien verwendet werden, dh aus einer Substanz bestehen, sondern zusammengesetzte aus mehreren, genauer gesagt aus Ferriten und Piezoelektrika. Denn Ferrite sind aus magnetischer Sicht sehr empfindlich gegenüber einem externen elektrischen Feld.

Die Forscher selbst wissen dies aus erster Hand und geben ein Beispiel für ein Komposit aus ferromagnetischem Fe (Eisen) und BaTiO ₃ (Bariumtitanat, BTO), das sowohl ferroelektrisch als auch ferroelastisch (SC) ist.

Ferroelektrizität (oder Ferroelektrizität) * ist das Auftreten einer spontanen Polarisation in einem Kristall bei einer bestimmten Temperatur, auch ohne ein externes elektrisches Feld.

Und ferroelastisch nennt man Einkristallsubstanzen, deren Kristallgitter sich mit abnehmender Temperatur und abnehmendem Phasenübergang spontan verformen kann.

Darüber hinaus wollen die Forscher nicht nur sozusagen die Kontrolle über die gesamte Heterostruktur als Ganzes erlangen, sondern auch über einzelne Nanostrukturen und Nanopartikel. Dies könnte in einer kürzlich durchgeführten Studie zur Kontrolle des elektrischen Feldes von superparamagnetischen Ni-Nanopartikeln nützlich sein, da dies die Manipulation des Magnetismus im Nanometerbereich durch Beeinflussung der magnetoelastischen Anisotropie einer variablen Spannung ermöglicht.

In dieser Arbeit beschlossen die Wissenschaftler, den ME-Effekt genauer zu untersuchen, indem sie die magnetischen Domänenstrukturen eines nanokristallinen Fe-Films analysierten, der auf einem BaTiO ₃ -Substrat ( ₅ × ₅ mm, 0,5 mm dick) gewachsen war. Laut Wissenschaftlern konnten sie nachweisen, dass superparamagnetische Partikel bei Raumtemperatur die Eigenschaften eines superferromagnetischen Zustands aufweisen können, was auf die Wirkung eines elektrischen Feldes auf die magnetoelastische Anisotropie zurückzuführen ist.

Bei Raumtemperatur ist das BTO-Kristallgitter tetragonal (c = 4,036 Å, a = b = 3,992 Å). Die Polarisation eines FE-Kristalls ist immer entlang der c- Achse gerichtet. Zusätzlich existieren FE-Regionen a1-a2 mit Domänen, in denen sich die Polarisationsrichtungen und das tetragonale Gitter zwischen zwei orthogonalen Richtungen relativ zum Substrat abwechseln, und Domänenwände entlang des [110] _pc koexistieren mit Regionen a ₁ - c und a ₂ - c mit Polarisation innerhalb der Ebene / außerhalb der Ebene und Domänenwände entlang [100] _pc und [010] _pc .

Å ist eine Maßeinheit für die Länge (in unserem Fall die Dicke), 1 Å = 10 ^–10 m oder 0,1 nm.

Die Domänenzonen a ₁ und a ₂ führen zu einer einachsigen Verformung des Gitters (c - a) / a im Substrat selbst um 1,1% und zu Domänenzonen mit isotroper Verformung (a = b).

Es ist anzumerken, dass der Fe-Film einen Bereich mit einem Dickengradienten ("Keil", wenn vom Standpunkt der Geometrie aus gesehen) von 30 & mgr; m Breite aufweist, der die Probe in zwei Hälften teilt. In diesem Abschnitt variiert die Dicke von Fe (t _Fe ) entlang der BTO-Richtung von [100] _pc von 0,5 bis 3 nm (Nanometer). In allen anderen Regionen bleibt die Dicke von Fe unverändert: entweder 0,5 nm oder 3 nm. Wissenschaftler haben den Zustand des Keils mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (RAS) und röntgenmagnetischem Zirkulardichroismus (RMCD) bestätigt.

Röntgenmagnetischer Zirkulardichroismus * ist die Differenz zwischen den beiden PAC-Spektren, die in einem Magnetfeld mit links und rechts zirkular polarisiertem Licht erhalten wurden.

Ferner wurde die Probe mit einem 3 nm dicken Al-Schutzfilm beschichtet. Nach Messungen unter Verwendung von Röntgenphotoemissionselektronenmikroskopie wurde die Atomstruktur der Probe durch ein Transmissionsrasterelektronenmikroskop verifiziert.

Forschungsergebnisse

Bild Nr. 1

Zunächst kurz zu dem, was wir oben sehen. Die Bilder 1a und 1b sind Röntgenabsorptionsspektroskopiebilder von den Rändern von Fe L ₃ bzw. Ti L ₂ . Diese Bilder bestätigen den Gradienten der Fe-Filmdicke, wodurch das Ti-Signal von BTO ( 1c ) abgeschwächt wird.

Durch Scannen der Energie horizontal polarisierter einfallender Röntgenstrahlung konnte das räumliche Spektrum von Ti L _2,3 und Fe L _2,3 ( 1d ) erhalten werden. Es wurden keine Änderungen bezüglich der Form des Spektrums von Ti L2.3 über den Bereich des Fe-Keils beobachtet. Im Gegensatz zu Fe LL _2,3 ändert sich die Form des Spektrums mit der Dicke des Eisenfilms. Diese Änderungen sind am besten im Spektralbereich L _{2 der} Kante ( 1e ) zu sehen, wo Änderungen des Oxidationsgrades von Eisen die Form des Spektrums beeinflussen.

Somit ist das Spektrum des Teils des Fe-Films mit der maximalen Dicke (3 & mgr ; m) ähnlich dem Spektrum des Fe- Volumens , aber wenn der Film auf das experimentelle Minimum von 0,5 & mgr ; m verdünnt wird, erhält das Spektrum FeO _x -Eigenschaften (markiert durch schwarze Pfeile auf 1e ).

Eine solche Beobachtung ist ein praktischer Beweis für das Vorhandensein einer FeOx-Zwischenschicht zwischen den Hauptschichten Fe und BaTiO ₃ , deren Dicke ungefähr 2–3 Å betragen sollte.

Magnetisch kontrastierende Bilder des RCDM der Domänenzonen des Fe ( 1f ) -Keils zeigten keine Abdrücke (Effekte) der FE / BTO-Domänenzonen. Im Gegenteil, Wissenschaftler erwarteten solche Drucke, basierend auf den Prinzipien der Magnetostriktion.

Magnetostriktion * - Änderungen des Volumens und der Größe des Körpers aufgrund von Änderungen seiner Magnetisierung.

Gleichzeitig stellen Wissenschaftler fest, dass das Fehlen solcher Drucke das Vorhandensein einer leichten Übertragung der Verformung zwischen dem Substrat und dem Eisenfilm, d. H. Der Gitterfehlanpassung in weniger als 10%, nicht ausschließt.

Auch in Bild 1f sehen wir einen klaren und scharfen Übergang zwischen dem paramagnetischen (weiße Farbe) und dem ferromagnetischen Zustand (blaue Farbe) mit einer Änderung der Dicke des Eisenfilms. Ein Vergleich des RCDM-Profils des Keils mit dem Dickenprofil von Fe (1 g ) entlang einer Linie zeigte eine kritische Filmdicke (t _FM ) von 13 Å, bei der ein derart scharfer Übergang von einem magnetischen Zustand in einen anderen auftritt.

Und hier ist zu beachten, dass bei einer Temperatur von 320 K der Wert der kritischen Dicke eines Ferromagneten in hochgeordneten kohärenten Epitaxiefilmen ungefähr 1 monoatomare Schicht beträgt. Und das ist viel weniger als im Fall des untersuchten Komposits. Dementsprechend zeigt dies das Vorhandensein eines Superparamagnetismuszustands bei t _Fe <t _{FM an} , dh bei einer Dicke von Fe (im Experiment), die größer ist als die Dicke des Ferromagneten (theoretisch). Dies kann auf die nanokristalline Struktur des Films zurückzuführen sein.


Bild Nr. 2

Das obige Bild ist das Ergebnis der Dunkelfeldmikroskopie des Bereichs mit der größten Eisenfilmdicke (3 μm). Hier sehen wir eine gleichmäßige Fe-Schicht einer nanokristallinen Struktur mit Körnern (Kristalliten) von 2-3 nm Größe. In diesem Fall beträgt der planare Abstand eines dieser Körner 2,86 Å, was mit der körperzentrierten Symmetrie (Syngonie) des Eisenkristallgitters korreliert.


Bild Nr. 3

Und jetzt ist das Wichtigste der magnetoelektrische Effekt und seine Abhängigkeit von der Spannung.

Vor Beginn der Spannungstests wurde die Probe zunächst auf 60 K abgekühlt und dann erneut auf 320 K erhitzt. Dieses Verfahren veränderte die Ausgangsstruktur der magnetischen Domänen der Eisenschicht.

Bild 3a zeigt ein RCDM-Bild bei V = 0 V, dh in Abwesenheit eines Spannungseffekts auf einen gegebenen Teil der Probe. Im verdickten Bereich des ferromagnetischen Keils sind magnetische Domänen (blaue und weiße Streifen) deutlich sichtbar, deren Wände entlang [¯110] _{pc ausgerichtet} sind. Die Richtung der Magnetisierung innerhalb dieser Domänenzonen "geht" entweder entlang [010] _pc / [0 ¯ 10] _pc (neue weiße Streifen) oder entlang [100] _pc (die ursprünglichen blauen Streifen). Eine ähnliche Struktur magnetischer Domänen mit der Bildung von Stellen, die um 90 ° gegenüber der Ausgangsposition gedreht sind, kann mit dem oben genannten thermischen Zyklus oder mit der Temperaturdifferenz in diesem Zyklus aufgrund der Ferroelastizität verbunden sein.

Ferner wurde die Probe einer Spannung von V = +74 V ausgesetzt, wodurch die magnetischen Domänen deutlicher wurden ( 3b ). Nach einer Stunde dieser Spannung wurden neue magnetische Domänen mit einer Richtung entlang [100] _pc (blau) oder [010] _pc / [0 ¯ 10] _pc (weiß) sichtbar. Dies ist in Bild 3c dargestellt . Laut Wissenschaftlern ähneln die neuen Domänenzonen in [100] _pc- Richtung ferroelastischen Wänden a ₁ −c. Dies bedeutet, dass das BTO-Substrat in ein ^V ₁ -c ^V- Ferroelastikum (SC) umgewandelt wurde.

Das 3D-Bild zeigt alle magnetischen Domänenzonen, die bereits eine Spannung von 170 V haben. Jede Zone wurde abhängig von der magnetischen Richtung mit einem lateinischen Buchstaben markiert:

α - _pc / 10 (weiße Bereiche);
β - [100] _pc (blaue Bereiche);
γ ist der Bereich, in dem die Abdrücke der früheren ferroelastischen Domänen a ^T ₁ - a ^T ₂ erhalten bleiben.

Der Spannungsanstieg führte zur Verschiebung und zum Austausch der Position der Domänenzonen. Theoretisch ist diese Koexistenz mehrerer verschiedener magnetischer Domänenzonen verständlich, in der Praxis wurde sie jedoch erstmals demonstriert.

Wissenschaftler sahen keine besondere Abhängigkeit der magnetischen Domänen entlang der [100] _pc- Achse vom Gradienten der Dicke des Eisenfilms. Gleichzeitig stellen sie jedoch fest, dass die Wirkung der Spannung zu einer Erhöhung der ferromagnetischen Eigenschaften führte, die näher an der minimalen Dicke von Fe (in den Bereichen β) lag.

Ferner wurde eine Exposition mit einer Spannung von +170 V bis -170 V durchgeführt, was die obige Aussage von Wissenschaftlern bezüglich β-Regionen bestätigte.


Bild Nr. 4

Wenn wir die Bilder von 3d und 4a vergleichen , können wir Änderungen in diesen Bereichen sehen (Erweiterung und dann Verengung). Dies ist mit einer Entspannung der Verformung in polykristallinen Materialien verbunden, die im Laufe der Zeit auftritt. Nur die Regionen der Fe-Schicht blieben unverändert, in denen die BTO-Domänen vor kurzem transformiert wurden. Die Bilder 4b und 4c zeigen gestrichelte Linien entlang des [100] _pc , die die Bereiche angeben, in denen der Übergang von α zu β stattgefunden hat.

Grafik 4d zeigt die Ergebnisse einer Analyse des Ausmaßes der ferromagnetischen Bereiche. Wir sehen, dass sich das Wachstum der magnetischen Fernordnung entlang des [100] _pc auf 1,3 μm erstreckt.

Langreichweitige magnetische Ordnung * - die Reihenfolge der Orientierung der magnetischen Momente von Atomen, die sich über Entfernungen erstreckt, die viel mehr als interatomar sind.

Für eine detailliertere Kenntnis der Nuancen und Details der Studie empfehle ich dringend, dass Sie sich den Bericht der Forschungsgruppe ansehen.

Nachwort

Die grundlegendste Schlussfolgerung, die aus diesem Experiment gezogen werden kann, ist, dass die lokale Ausdehnung des Ferromagnetismus in Richtung engerer Bereiche der Fe-Schicht durch eine kontrollierte Wirkung einer bestimmten Spannung auf die Probe möglich ist. Wissenschaftler führen diesen Prozess auf die magnetoelastische Modifikation der magnetischen Anisotropie von Eisenkristallen zurück, die wiederum zum Auftreten eines superparamagnetischen / superferromagnetischen Übergangs bei Raumtemperatur führt.

Diese Studie brachte uns einen Schritt näher an das Verständnis, wie die magnetische Ordnung in einem elektrischen Feld gesteuert werden kann, während die Größe ferromagnetischer Domänen gesteuert und auf die Größe von FE-Domänen reduziert wird, wobei Strukturen aus dünnen Filmen anstelle von Einkristallen verwendet werden.

Kontrollieren und wieder kontrollieren. Es reicht uns nicht aus zu verstehen, wie bestimmte physikalische oder chemische Prozesse um uns herum ablaufen, wir wollen sie kontrollieren. Und Wissenschaftler tun alles, um auch die Prozesse einzudämmen, die bisher nur von der Natur selbst kontrolliert wurden. Wir können nur hoffen, dass solche Studien, wie die, die wir heute untersucht haben, auf die Schöpfung und nicht auf die Zerstörung abzielen.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine tolle Arbeitswoche, Jungs.

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