Fenomena dan proses fisik hadir dalam segala sesuatu yang mengelilingi kita (yang kimia juga, tetapi tidak tentang mereka hari ini). Duduk di depan komputer - fisika, lihat keluar jendela pada burung - fisika, overexposed daging terbakar, dan itu berubah menjadi batu bara, itu juga fisika. Dari raksasa hingga benda terkecil di Semesta, di mana-mana ada berbagai manifestasi fisika - sifat, karakteristik, fenomena, dan proses. Dan apa yang ingin diperoleh banyak ilmuwan, mengetahui hampir semua hal tentang suatu proses? Tentu saja, kontrol. Kontrol proses fisik dapat memberikan banyak manfaat yang bermanfaat, tetapi pencapaian kontrol ini adalah proses yang sangat kompleks, sering dikaitkan dengan sesuatu yang tidak sepenuhnya jelas. Hari ini kita akan mempertimbangkan sebuah studi di mana sekelompok ilmuwan memutuskan untuk menunjukkan kemungkinan efek magnetoelectric (ME), atau lebih tepatnya bagaimana mendapatkan kontrol atas orientasi magnetik dan pemesanan melalui medan listrik pada suhu kamar. Bagaimana tepatnya hal ini diwujudkan, apa yang diperoleh dari ini dan apa prospeknya? Jawaban, seperti biasa, menunggu kami dalam laporan kelompok riset. Ayo pergi.
Dasar studi
Seperti yang telah disebutkan dalam prolog, segala sesuatu dalam penelitian ini didasarkan pada efek magnetoelectric (ME). Jadi apa itu? Efek ME adalah hubungan antara magnetisme dan medan listrik - polarisasi listrik dalam medan magnet eksternal atau magnetisasi dalam medan magnet eksternal. Yang satu memperkuat yang lainnya. Hal yang menarik, tetapi sangat pemilih dalam hal suhu. Pada sebagian besar bahan kristal tunggal dengan efek ME, suhu Curie cukup rendah, yaitu, efek ini hanya terjadi pada suhu yang jauh lebih rendah daripada suhu kamar. Dan ini sangat membatasi penerapan praktis efek ME, terlepas dari semua manfaatnya.
Kelemahan menjengkelkan ini dapat diperbaiki dengan menggunakan bahan tidak monostruktur, yaitu, terdiri dari satu zat, tetapi yang komposit dari beberapa zat, lebih tepatnya dari ferrites dan piezoelectrics. Untuk ferrites sangat sensitif dari sudut pandang magnetik ke medan listrik eksternal.
Para peneliti sendiri mengetahui hal ini secara langsung dan memberikan contoh komposit feromagnetik Fe (besi) dan BaTiO
3 (barium titanate, BTO), yang keduanya feroelektrik dan ferroelastik (SC).
Feroelektrik (atau feroelektrik) * adalah terjadinya polarisasi spontan pada kristal pada suhu tertentu bahkan tanpa medan listrik eksternal.
Dan ferroelastik disebut zat kristal tunggal, yang kisi kristalnya dapat berubah bentuk secara spontan dengan penurunan suhu dan transisi fasa.
Selain itu, para peneliti ingin mendapatkan kontrol tidak hanya atas seluruh heterostruktur secara keseluruhan, sehingga untuk berbicara, tetapi atas struktur nano individu dan nanopartikel. Dan itu mungkin berguna dalam studi terbaru tentang kontrol medan listrik nanopartikel Ni super-paramagnetik, karena ini memungkinkan memanipulasi magnet pada skala nanometer dengan mempengaruhi anisotropi magnetoelastik dari tegangan variabel.
Dalam karya ini, para ilmuwan memutuskan untuk mempelajari efek ME secara lebih rinci dengan menganalisis struktur domain magnetik film nanokristalin Fe yang ditanam pada substrat BaTiO
3 (tebal 5x5 mm, tebal 0,5 mm). Menurut para ilmuwan, mereka dapat membuktikan bahwa partikel superparamagnetik dapat menunjukkan sifat-sifat keadaan superferromagnetik pada suhu kamar, dan ini disebabkan oleh efek medan listrik pada anisotropi magnetoelastik.
Pada suhu kamar, kisi kristal BTO adalah tetragonal (c = 4. 036 Å, a = b = 3.992 Å). Polarisasi kristal FE selalu diarahkan sepanjang sumbu
c . Selain itu, wilayah FE a1-a2 dengan domain di mana arah polarisasi dan kisi tetragonal bergantian antara dua arah ortogonal relatif terhadap substrat, dan dinding domain di sepanjang [110]
pc hidup berdampingan dengan daerah
1 - c dan
2 - c dengan polarisasi intra-bidang / ekstra-bidang dan dinding domain di sepanjang [100]
pc dan [010]
pc .
Å adalah unit pengukuran panjang (dalam kasus kami, ketebalan), 1 Å = 10 −10 m atau 0,1 nm.
Zona domain a
1 dan
2 mengarah ke 1,1% deformasi uniaksial dari kisi (c - a) / a dalam substrat itu sendiri, dan zona domain
dengan isotropik terdeformasi (a = b).
Perlu dicatat bahwa film Fe memiliki daerah gradien ketebalan ("baji", jika dari sudut pandang geometri) selebar 30 μm, membagi sampel menjadi dua. Pada bagian ini, ketebalan Fe (t
Fe ) bervariasi di sepanjang arah BTO
pc [100-100] dari 0,5 hingga 3 nm (nanometer). Di semua wilayah lain, ketebalan Fe tidak berubah: 0,5 nm atau 3 nm. Para ilmuwan telah mengkonfirmasi keadaan irisan menggunakan spektroskopi serapan sinar-X (RAS) dan dichroism sirkular sinar-X (RMCD).
Dichroism magnetik sirkular sinar-X * adalah perbedaan antara dua spektra PAC yang diperoleh dalam medan magnet dengan cahaya terpolarisasi sirkuler kiri dan kanan.
Selanjutnya, sampel dilapisi dengan film pelindung Al setebal 3 nm. Setelah pengukuran menggunakan mikroskop elektron fotoemisi sinar-X, struktur atom sampel diverifikasi oleh mikroskop elektron pemindaian transmisi.
Hasil penelitian
Gambar No. 1Untuk memulai dengan singkat tentang apa yang kita lihat di atas. Gambar
1a dan
1b adalah gambar spektroskopi serapan sinar-X dari masing-masing tepi Fe L
3 dan Ti L
2 . Gambar-gambar ini mengkonfirmasi gradien dari ketebalan film Fe, melemahkan sinyal Ti dari BTO (
1c ).
Pemindaian energi radiasi x-ray insiden terpolarisasi horizontal memungkinkan untuk mendapatkan spektrum spasial Ti L
2,3 dan Fe L
2,3 (
1d ). Tidak ada perubahan yang diamati mengenai bentuk spektrum Ti L2.3 atas wilayah irisan Fe. Tidak seperti Fe LL
2,3 , bentuk spektrum berubah dengan ketebalan film besi. Perubahan-perubahan ini paling baik terlihat di daerah spektral L
2 dari tepi (
1e ), di mana perubahan dalam tingkat oksidasi besi mempengaruhi bentuk spektrum.
Dengan demikian, spektrum bagian dari film Fe dengan ketebalan maksimum (3 μm) mirip dengan spektrum massa Fe, tetapi ketika film ditipiskan ke minimum eksperimental 0,5 μm, spektrum memperoleh fitur FeO
x (ditandai dengan panah hitam pada
1 ).
Pengamatan semacam itu adalah bukti praktis dari keberadaan lapisan FeOx menengah antara lapisan Fe utama dan BaTiO
3 , dengan ketebalan sekitar 2–3 Å.
Gambar yang kontras secara magnetis dari RCDM dari zona domain dari irisan Fe (
1f ) tidak menunjukkan jejak (efek) dari zona domain FE / BTO. Sebaliknya, para ilmuwan mengharapkan cetakan seperti itu, berdasarkan prinsip-prinsip magnetostriksi.
Magnetostriksi * - perubahan volume dan ukuran tubuh akibat perubahan magnetisasinya.
Pada saat yang sama, para ilmuwan mencatat bahwa tidak adanya cetakan seperti itu tidak mengecualikan adanya sedikit transfer deformasi antara substrat dan film besi, yaitu, ketidakcocokan kisi dalam kurang dari 10%.
Juga dalam gambar
1f, kita melihat transisi yang jelas dan tajam antara paramagnetik (warna putih) dan keadaan feromagnetik (warna biru) dengan perubahan ketebalan film besi. Perbandingan profil RCDM dari irisan dengan profil ketebalan Fe (
1g ) sepanjang satu garis menunjukkan ketebalan film kritis (t
FM ) dari 13 Å, di mana terjadi transisi yang tajam dari satu keadaan magnetik ke keadaan magnetik lainnya.
Dan di sini penting untuk dicatat bahwa pada suhu 320 K, nilai ketebalan kritis feromagnet dalam film epitaksi koheren yang sangat tertata sekitar 1 lapisan monoatomik. Dan ini jauh lebih sedikit daripada dalam kasus komposit yang dipelajari. Dengan demikian, ini menunjukkan adanya keadaan superparamagnetisme pada t
Fe <t
FM , yaitu pada ketebalan Fe (dalam percobaan) lebih besar dari ketebalan feromagnet (dalam teori). Dan ini mungkin karena struktur nanokristalin film.
Gambar No. 2Gambar di atas adalah hasil dari mikroskop lapangan gelap dari wilayah tersebut dengan ketebalan film besi terbesar (3 μm). Di sini kita melihat lapisan Fe yang seragam dari struktur nanokristalin dengan butiran (kristalit) berukuran 2-3 nm. Dalam hal ini, jarak planar dari salah satu butir ini adalah 2,86 Å, yang berkorelasi dengan simetri yang berpusat pada tubuh (syngony) dari kisi kristal besi.
Gambar No. 3Dan sekarang yang paling penting adalah efek magnetoelectric dan ketergantungannya pada tegangan.
Sebelum memulai tes tegangan, sampel pertama-tama didinginkan hingga 60 K dan kemudian dipanaskan lagi menjadi 320 K. Prosedur ini mengubah struktur awal domain magnetik lapisan besi.
Gambar
3a menunjukkan gambar RCDM pada V = 0 V, yaitu, dengan tidak adanya efek tegangan pada bagian tertentu dari sampel. Di daerah menebal irisan feromagnetik, domain magnetik (garis-garis biru dan putih) yang dindingnya diorientasikan sepanjang [¯1010]
pc terlihat jelas. Arah magnetisasi di dalam zona domain ini “berjalan” baik di sepanjang [010]
pc / [0¯10]
pc (pita putih baru), atau sepanjang [100]
pc (pita biru asli). Struktur domain magnetik yang serupa dengan pembentukan situs yang diputar 90 ° relatif terhadap posisi awal dapat dikaitkan dengan siklus termal yang disebutkan di atas atau dengan perbedaan suhu dalam siklus ini karena ferroelastisitas.
Selanjutnya, sampel terkena tegangan V = +74 V, yang membuat domain magnetik lebih berbeda (
3b ). Setelah satu jam dari tegangan ini, domain magnetik baru dengan arah sepanjang [100]
pc (biru) atau [010]
pc / [0¯10]
pc (putih) mulai terlihat. Ini ditunjukkan pada gambar
3c . Menurut para ilmuwan, zona domain baru di arah
pc [100] menyerupai dinding ferroelastik
1 −c. Ini berarti bahwa substrat BTO diubah menjadi ferroelastik
V1 Vc (SC).
Gambar 3d menunjukkan semua zona domain magnetik sudah pada tegangan 170 V. Setiap zona ditandai dengan huruf Latin tergantung pada arah magnet:
α - [010]
pc / [0¯10]
pc (area putih);
β - [100]
pc (area biru);
γ adalah wilayah di mana jejak bekas domain ferroelastik
T 1 −a
T 2 dipertahankan.
Peningkatan voltase menyebabkan perpindahan dan pertukaran posisi zona domain. Secara teoritis, koeksistensi dari beberapa zona domain magnetik ini dapat dipahami, tetapi dalam praktiknya hal itu diperlihatkan untuk pertama kalinya.
Para ilmuwan tidak melihat adanya ketergantungan khusus dari domain magnetik di sepanjang sumbu
pc [100] pada gradien ketebalan film besi. Tetapi pada saat yang sama, mereka mencatat bahwa efek tegangan menyebabkan peningkatan sifat feromagnetik yang mendekati ketebalan minimum Fe (di wilayah β).
Selanjutnya, paparan dilakukan dengan tegangan dari +170 V ke -170 V, yang mengkonfirmasi pernyataan ilmuwan di atas mengenai daerah β.
Gambar No. 4Jika kita membandingkan gambar
3d dan
4a , maka kita dapat melihat perubahan di area ini (ekspansi, dan kemudian penyempitan). Ini terkait dengan relaksasi deformasi pada bahan polikristalin yang terjadi seiring waktu. Hanya daerah-daerah lapisan Fe tetap tidak berubah di mana domain BTO ditransformasikan baru-baru ini. Gambar
4b dan
4c menunjukkan garis putus-putus di sepanjang [100]
pc , yang menunjukkan area di mana transisi dari α ke β terjadi.
Grafik
4d menunjukkan hasil analisis luas wilayah feromagnetik. Kita melihat bahwa pertumbuhan tatanan magnetik jangka panjang meluas hingga 1,3 μm di sepanjang [100]
pc .
Tatanan magnetik jangka panjang * - tatanan orientasi momen magnetik atom, melampaui jarak jauh lebih banyak daripada interatomik.
Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa dan perincian studi ini, saya sangat menyarankan agar Anda memeriksa
laporan kelompok riset .
Epilog
Kesimpulan paling mendasar yang dapat ditarik dari percobaan ini adalah bahwa ekspansi lokal feromagnetisme menuju daerah yang lebih sempit dari lapisan Fe layak dilakukan melalui tindakan terkontrol dari tegangan tertentu pada sampel. Para ilmuwan menghubungkan proses ini dengan modifikasi magnetoelastik dari anisotropi magnetik yang terkait dengan kristal besi, yang pada gilirannya menyebabkan munculnya transisi superparamagnetik / superferromagnetik pada suhu kamar.
Studi ini membawa kami selangkah lebih dekat untuk memahami bagaimana pemesanan magnetik dalam medan listrik dapat dikontrol, sambil mengontrol ukuran domain feromagnetik, menguranginya menjadi ukuran domain FE, menggunakan struktur dari film tipis, bukan kristal tunggal.
Kontrol dan kontrol lagi. Tidak cukup bagi kita untuk memahami bagaimana proses fisik atau kimia tertentu terjadi di sekitar kita, kita ingin mengendalikannya. Dan para ilmuwan melakukan segala yang mungkin untuk mengekang bahkan proses-proses yang sampai sekarang dianggap hanya dikendalikan oleh alam itu sendiri. Kita hanya bisa berharap bahwa studi seperti itu, seperti yang telah kita periksa hari ini, akan ditujukan pada penciptaan, bukan kehancuran.
Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan.
Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda,
diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim semi gratis ketika membayar selama setengah tahun, Anda dapat memesan di
sini .
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki
2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang
Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?