Contrôle et contrôle à nouveau: changement de direction magnétique en raison de la tension en Fe / BaTiO3

Les phénomènes et processus physiques sont présents dans tout ce qui nous entoure (chimiques aussi, mais pas à leur sujet aujourd'hui). Asseyez-vous devant l'ordinateur - physique, regardez par la fenêtre les birdies - physique, surexposez la viande en feu, et elle s'est transformée en charbon, c'est aussi de la physique. Des objets gigantesques aux plus petits dans l'Univers, il y a partout diverses manifestations de la physique - propriétés, caractéristiques, phénomènes et processus. Et qu'est-ce que de nombreux scientifiques veulent obtenir, sachant presque tout sur un processus? Bien sûr, le contrôle. Le contrôle des processus physiques peut donner beaucoup d'avantages utiles, mais la réalisation de ce contrôle est un processus très complexe, souvent associé à quelque chose qui n'est pas complètement clair. Aujourd'hui, nous considérerons une étude dans laquelle un groupe de scientifiques a décidé de démontrer les possibilités de l'effet magnétoélectrique (ME), ou plutôt comment prendre le contrôle de l'orientation magnétique et de l'ordre au moyen d'un champ électrique à température ambiante. Comment cela se réalise-t-il exactement, qu'est-ce qui en résulte et quelles sont les perspectives? Des réponses, comme toujours, nous attendent dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

Comme déjà mentionné dans le prologue, tout et tout dans cette étude est basé sur l'effet magnétoélectrique (ME). Alors c'est quoi? L'effet ME est la relation entre le magnétisme et le champ électrique - polarisation électrique dans un champ magnétique externe ou aimantation dans un champ magnétique externe. L'un renforce l'autre. Chose intéressante, mais très pointilleuse en termes de température. Dans la plupart des matériaux monocristallins avec un effet ME, la température de Curie est assez basse, c'est-à-dire que cet effet ne se manifeste qu'à des températures nettement inférieures aux températures ambiantes. Et cela limite considérablement l'application pratique de l'effet ME, malgré toute son utilité.

Cet inconvénient gênant peut être corrigé en utilisant non pas des matériaux monostructurés, c'est-à-dire constitués d'une seule substance, mais des matériaux composites provenant de plusieurs, plus précisément de ferrites et piézoélectriques. Car les ferrites sont très sensibles d'un point de vue magnétique à un champ électrique externe.

Les chercheurs eux-mêmes le savent et donnent un exemple d'un composite de fer ferromagnétique (fer) et de BaTiO ₃ (titanate de baryum, BTO), qui est à la fois ferroélectrique et ferroélastique (SC).

La ferroélectricité (ou ferroélectricité) * est l'apparition d'une polarisation spontanée dans un cristal à une certaine température même sans champ électrique externe.

Et le ferroélastique est appelé substances monocristallines, dont le réseau cristallin peut se déformer spontanément avec une température et une transition de phase décroissantes.

De plus, les chercheurs veulent prendre le contrôle non seulement de l'hétérostructure entière dans son ensemble, pour ainsi dire, mais des nanostructures et nanoparticules individuelles. Et cela peut être utile dans une étude récente du contrôle du champ électrique des nanoparticules de Ni super-paramagnétiques, car cela permet de manipuler le magnétisme à l'échelle nanométrique en affectant l'anisotropie magnéto-élastique d'une tension variable.

Dans ce travail, les scientifiques ont décidé d'étudier plus en détail l'effet ME en analysant les structures du domaine magnétique d'un film nanocristallin de Fe cultivé sur un substrat BaTiO ₃ (5x5 mm, 0,5 mm d'épaisseur). Selon les scientifiques, ils ont pu prouver que les particules superparamagnétiques peuvent présenter les propriétés d'un état superferromagnétique à température ambiante, et cela est dû à l'effet d'un champ électrique sur l'anisotropie magnétoélastique.

À température ambiante, le réseau cristallin BTO est tétragonal (c = 4 036 Å, a = b = 3,992 Å). La polarisation d'un cristal FE est toujours dirigée le long de l'axe c . De plus, les régions FE a1-a2 avec des domaines dans lesquels les directions de polarisation et le réseau tétragonal alternent entre deux directions orthogonales par rapport au substrat, et les parois de domaine le long du [110] _pc coexistent avec les régions a ₁ - c et a ₂ - c avec polarisation intra-plan / extra-plan et les murs de domaine le long de [100] _pc et [010] _pc .

Å est une unité de mesure de longueur (dans notre cas, d'épaisseur), 1 Å = 10 ^-10 m ou 0,1 nm.

Les zones de domaine a ₁ et a ₂ conduisent à une déformation uniaxiale de 1,1% du réseau (c - a) / a dans le substrat lui-même, et des zones de domaine à déformation isotrope (a = b).

Il est à noter que le film de Fe présente une zone de gradient d'épaisseur («coin», si du point de vue de la géométrie) de 30 µm de large, divisant l'échantillon en deux. Dans cette section, l'épaisseur de Fe (t _Fe ) varie le long de la direction [¯100] _pc BTO de 0,5 à 3 nm (nanomètres). Dans toutes les autres régions, l'épaisseur de Fe est inchangée: 0,5 nm ou 3 nm. Les scientifiques ont confirmé l'état du coin à l'aide de la spectroscopie d'absorption des rayons X (RAS) et du dichroïsme magnétique circulaire aux rayons X (RMCD).

Le dichroïsme magnétique circulaire aux rayons X * est la différence entre les deux spectres PAC obtenus dans un champ magnétique avec une lumière polarisée circulairement à gauche et à droite.

En outre, l'échantillon a été recouvert d'un film protecteur en Al de 3 nm d'épaisseur. Après des mesures utilisant la microscopie électronique à photoémission de rayons X, la structure atomique de l'échantillon a été vérifiée par un microscope électronique à balayage à transmission.

Résultats de recherche

Image n ° 1

Pour commencer brièvement sur ce que nous voyons ci-dessus. Les images 1a et 1b sont des images de spectroscopie d'absorption de rayons X à partir des bords de Fe L ₃ et Ti L ₂ , respectivement. Ces images confirment le gradient de l'épaisseur du film de Fe, atténuant le signal Ti du ​​BTO ( 1c ).

Le balayage de l'énergie du rayonnement X incident incident polarisé horizontalement a permis d'obtenir le spectre spatial de Ti L _2,3 et Fe L _2,3 ( 1d ). Aucun changement n'a été observé concernant la forme du spectre de Ti L2.3 sur la région du coin de Fe. Contrairement à Fe LL _2,3 , la forme du spectre change avec l'épaisseur du film de fer. Ces changements sont mieux visibles dans la région spectrale L _{2 du} bord ( 1e ), où les changements du degré d'oxydation du fer affectent la forme du spectre.

Ainsi, le spectre de la partie du film de Fe avec l'épaisseur maximale (3 μm) est similaire au spectre du Fe en vrac, mais lorsque le film est aminci au minimum expérimental de 0,5 μm, le spectre acquiert des caractéristiques FeO _x (marquées par des flèches noires sur 1 ).

Une telle observation est une preuve pratique de la présence d'une couche intermédiaire de FeOx entre les couches principales de Fe et de BaTiO ₃ , dont l'épaisseur devrait être d'environ 2 à 3 Å.

Des images magnétiquement contrastées du RCDM des zones de domaine du coin Fe ( 1f ) n'ont pas montré d'empreintes (effets) des zones de domaine FE / BTO. Les scientifiques, au contraire, s'attendaient à de telles empreintes, basées sur les principes de la magnétostriction.

Magnétostriction * - changements dans le volume et la taille du corps en raison de changements dans sa magnétisation.

Dans le même temps, les scientifiques notent que l'absence de telles impressions n'exclut pas la présence d'un léger transfert de déformation entre le substrat et le film de fer, c'est-à-dire l'inadéquation du réseau en moins de 10%.

Toujours dans l'image 1f, nous voyons une transition claire et nette entre les états paramagnétiques (couleur blanche) et ferromagnétique (couleur bleue) avec un changement dans l'épaisseur du film de fer. Une comparaison du RCDM du profil de coin avec le profil d'épaisseur de Fe ( 1g ) le long d'une ligne a montré une épaisseur de film critique (t _FM ) de 13 Å, à laquelle se produit une transition aussi nette d'un état magnétique à un autre.

Et ici, il est important de noter qu'à une température de 320 K, la valeur de l'épaisseur critique d'un ferromagnet dans des films épitaxiaux cohérents hautement ordonnés est d'environ 1 couche monoatomique. Et c'est beaucoup moins que dans le cas du composite étudié. En conséquence, cela indique la présence d'un état de superparamagnétisme à t _Fe <t _FM , c'est-à-dire à une épaisseur de Fe (dans l'expérience) supérieure à l'épaisseur du ferromagnet (en théorie). Et cela peut être dû à la structure nanocristalline du film.


Image n ° 2

L'image ci-dessus est le résultat d'une microscopie à fond noir de la région avec la plus grande épaisseur de film de fer (3 μm). Ici, nous voyons une couche de Fe uniforme d'une structure nanocristalline avec des grains (cristallites) de 2-3 nm. Dans ce cas, la distance plane de l'un de ces grains est de 2,86 Å, ce qui correspond à la symétrie centrée sur le corps (syngonie) du réseau cristallin de fer.


Image n ° 3

Et maintenant, la chose la plus importante est l'effet magnétoélectrique et sa dépendance à la tension.

Avant de commencer les tests de tension, l'échantillon a d'abord été refroidi à 60 K puis chauffé à nouveau à 320 K. Cette procédure a modifié la structure initiale des domaines magnétiques de la couche de fer.

L'image 3a montre une image RCDM à V = 0 V, c'est-à-dire en l'absence d'effet de tension sur une partie donnée de l'échantillon. Dans la région épaissie du coin ferromagnétique, les domaines magnétiques (bandes bleues et blanches) dont les parois sont orientées le long de [¯110] _pc sont clairement visibles. La direction d'aimantation à l'intérieur de ces zones de domaine "va" soit le long de [010] _pc / [0¯10] _pc (nouvelles bandes blanches), soit le long de [100] _pc (bandes bleues originales). Une structure similaire de domaines magnétiques avec la formation de sites tournés de 90 ° par rapport à la position initiale peut être associée au cycle thermique précité ou à la différence de température dans ce cycle due à la ferroélasticité.

De plus, l'échantillon a été exposé à une tension de V = +74 V, ce qui a rendu les domaines magnétiques plus distincts ( 3b ). Après une heure de cette tension, de nouveaux domaines magnétiques avec une direction le long de [100] _pc (bleu) ou [010] _pc / [0¯10] _pc (blanc) sont devenus visibles. C'est ce que montre l'image 3c . Selon les scientifiques, les nouvelles zones de domaine dans la direction [100] _pc ressemblent à des parois ferroélastiques à ₁ −c. Cela signifie que le substrat BTO a été transformé en ferro-élastique ^V ₁ -c ^V (SC).

L'image 3D montre toutes les zones du domaine magnétique déjà à une tension de 170 V. Chaque zone a été marquée d'une lettre latine en fonction de la direction magnétique:

α - [010] _pc / [0¯10] _pc (zones blanches);
β - [100] _pc (zones bleues);
γ est la région où les empreintes des anciens domaines ferroélastiques a ^T ₁ -a ^T _{2 sont} conservées.

L'augmentation de tension a entraîné le déplacement et l'échange de la position des zones de domaine. Théoriquement, cette coexistence de plusieurs zones de domaines magnétiques différentes est compréhensible, mais en pratique elle a été démontrée pour la première fois.

Les scientifiques n'ont pas vu de dépendance particulière des domaines magnétiques le long de l'axe [100] _pc sur le gradient de l'épaisseur du film de fer. Mais en même temps, ils notent que l'effet de la tension a conduit à une augmentation des propriétés ferromagnétiques plus proche de l'épaisseur minimale de Fe (dans les régions β).

En outre, une exposition a été effectuée avec une tension de +170 V à -170 V, ce qui a confirmé la déclaration ci-dessus des scientifiques concernant les régions β.


Image n ° 4

Si nous comparons les images de 3d et 4a , nous pouvons voir des changements dans ces domaines (expansion, puis rétrécissement). Ceci est associé à une relaxation de la déformation des matériaux polycristallins qui se produit au fil du temps. Seules les régions de la couche de Fe sont restées inchangées où les domaines BTO ont été transformés assez récemment. Les images 4b et 4c montrent des lignes pointillées le long du [100] _pc , qui indiquent les zones où la transition de α à β s'est produite.

Le graphique 4d montre les résultats d'une analyse de l'étendue des régions ferromagnétiques. Nous voyons que la croissance de l'ordre magnétique à longue portée s'étend jusqu'à 1,3 μm le long du [100] _pc .

Ordre magnétique à longue portée * - l'ordre d'orientation des moments magnétiques des atomes, s'étendant sur des distances beaucoup plus qu'interatomiques.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances et des détails de l'étude, je vous recommande fortement de consulter le rapport du groupe de recherche .

Épilogue

La conclusion la plus fondamentale qui peut être tirée de cette expérience est que l'expansion locale du ferromagnétisme vers des régions plus étroites de la couche de Fe est possible au moyen d'une action contrôlée d'une certaine tension sur l'échantillon. Les scientifiques attribuent ce processus à la modification magnétoélastique de l'anisotropie magnétique associée aux cristaux de fer, qui à son tour conduit à l'apparition d'une transition superparamagnétique / superferromagnétique à température ambiante.

Cette étude nous a permis de mieux comprendre comment contrôler l'ordre magnétique dans un champ électrique, tout en contrôlant la taille des domaines ferromagnétiques, en la réduisant à la taille des domaines FE, en utilisant des structures à partir de films minces au lieu de monocristaux.

Contrôlez et contrôlez à nouveau. Il ne nous suffit pas de comprendre comment certains processus physiques ou chimiques se produisent autour de nous, nous voulons les contrôler. Et les scientifiques font tout leur possible pour freiner même les processus qui, jusqu'à présent, n'étaient considérés comme contrôlés que par la nature elle-même. Nous ne pouvons qu'espérer que de telles études, comme celle que nous avons examinée aujourd'hui, viseront la création et non la destruction.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars.

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