Controle e controle novamente: mudança na direção magnética devido à tensão em Fe / BaTiO3

Os fenômenos e processos físicos estão presentes em tudo o que nos cerca (os químicos também, mas não sobre eles hoje). Sente-se no computador - física, olhe pela janela os passarinhos - física, superexponha a carne em fogo e ela se transforma em carvão, isso também é física. Dos gigantescos aos menores objetos do Universo, em toda parte existem várias manifestações da física - propriedades, características, fenômenos e processos. E o que muitos cientistas desejam obter, sabendo quase tudo sobre um processo? Claro, controle. O controle de processos físicos pode oferecer muitas vantagens úteis, mas a conquista desse controle é um processo muito complexo, geralmente associado a algo que não está completamente claro. Hoje consideraremos um estudo no qual um grupo de cientistas decidiu demonstrar as capacidades do efeito magnetoelétrico (ME), ou melhor, como obter controle sobre a direção magnética e a ordenação por meio de um campo elétrico em temperatura ambiente. Como exatamente isso é realizado, o que é obtido disso e quais são as perspectivas? As respostas, como sempre, nos aguardam no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

Base de estudo

Como já mencionado no prólogo, tudo neste estudo é baseado no efeito magnetoelétrico (ME). Então o que é isso? O efeito ME é a relação entre magnetismo e campo elétrico - polarização elétrica em um campo magnético externo ou magnetização em um campo magnético externo. Um reforça o outro. Coisa interessante, mas muito exigente em termos de temperatura. Na maioria dos materiais monocristalinos com efeito ME, a temperatura Curie é bastante baixa, ou seja, esse efeito se manifesta apenas em temperaturas significativamente inferiores às temperaturas ambiente. E isso limita bastante a aplicação prática do efeito EM, apesar de toda a sua utilidade.

Essa desvantagem irritante pode ser corrigida usando materiais não monoestruturados, isto é, consistindo de uma substância, mas compostos de várias, mais precisamente de ferritas e piezoelétricas. Os ferritos são muito sensíveis do ponto de vista magnético a um campo elétrico externo.

Os próprios pesquisadores conhecem isso em primeira mão e dão um exemplo de um composto de ferromagnético Fe (ferro) e BaTiO ₃ (titanato de bário, BTO), que é ferroelétrico e ferroelástico (SC).

Ferroeletricidade (ou ferroeletricidade) * é a ocorrência de polarização espontânea em um cristal a uma certa temperatura, mesmo sem um campo elétrico externo.

E o ferroelástico é chamado de substâncias monocristalinas, cuja estrutura cristalina pode se deformar espontaneamente com a diminuição da temperatura e da transição de fase.

Além disso, os pesquisadores querem obter controle não apenas de toda a heteroestrutura como um todo, por assim dizer, mas também de nanoestruturas e nanopartículas individuais. E isso pode ser útil em um estudo recente do controle sobre o campo elétrico de nanopartículas de Ni superparmagnéticas, uma vez que isso permite manipular magnetismo em escala nanométrica, afetando a anisotropia magnetoelástica de uma tensão variável.

Neste trabalho, os cientistas decidiram estudar o efeito do ME com mais detalhes, analisando as estruturas do domínio magnético do filme nanocristalino de Fe crescido em um substrato BaTiO ₃ (5x5 mm, 0,5 mm de espessura). Segundo os cientistas, eles conseguiram provar que partículas superparamagnéticas podem exibir as propriedades de um estado superferromagnético à temperatura ambiente, e isso se deve ao efeito de um campo elétrico na anisotropia magnetoelástica.

À temperatura ambiente, a treliça de cristal BTO é tetragonal (c = 4. 036 Å, a = b = 3,992 Å). A polarização de um cristal FE é sempre direcionada ao longo do eixo c . Além disso, as regiões FE a1-a2 com domínios nos quais as direções de polarização e rede tetragonal alternam entre duas direções ortogonais em relação ao substrato, e as paredes de domínio ao longo do [110] _pc coexistem com as regiões a ₁ - ce ₂ - c com polarização intra-avião / extra-plano e paredes de domínio ao longo de [100] _pc e [010] _pc .

Å é uma unidade de medida de comprimento (no nosso caso, espessura), 1 Å = ^10-10 m ou 0,1 nm.

As zonas de domínio a ₁ e a ₂ levam a deformação uniaxial de 1,1% da rede (c - a) / a no próprio substrato e zonas de domínio com deformações isotropicamente (a = b).

Vale ressaltar que o filme de Fe possui uma região de gradiente de espessura (“cunha”, se do ponto de vista da geometria) com 30 μm de largura, dividindo a amostra ao meio. Nesta seção, a espessura do Fe (t _Fe ) varia ao longo da direção da BTO [¯100] _pc de 0,5 a 3 nm (nanômetros). Em todas as outras regiões, a espessura do Fe permanece inalterada: 0,5 nm ou 3 nm. Os cientistas confirmaram o estado da cunha usando espectroscopia de absorção de raios-X (RAS) e dicroísmo circular magnético de raios-X (RMCD).

Dicroísmo circular magnético de raios X * é a diferença entre os dois espectros de PAC obtidos em um campo magnético com luz polarizada circularmente esquerda e direita.

Além disso, a amostra foi revestida com uma película protetora de Al com 3 nm de espessura. Após medições utilizando microscopia eletrônica de fotoemissão por raios X, a estrutura atômica da amostra foi verificada por um microscópio eletrônico de varredura de transmissão.

Resultados da pesquisa

Imagem Nº 1

Para começar brevemente sobre o que vemos acima. As imagens 1a e 1b são imagens de espectroscopia de absorção de raios X das bordas de Fe L ₃ e Ti L ₂ , respectivamente. Essas imagens confirmam o gradiente da espessura do filme de Fe, atenuando o sinal de Ti do BTO ( 1c ).

A varredura da energia da radiação de raios-X incidente polarizada horizontalmente possibilitou a obtenção do espectro espacial de Ti L _2,3 e Fe L _2,3 ( 1d ). Não foram observadas alterações com relação à forma do espectro de Ti L2.3 na região da cunha de Fe. Ao contrário do Fe LL _2,3 , a forma do espectro muda com a espessura do filme de ferro. Essas alterações são mais bem vistas na região espectral L2 _da borda ( 1e ), onde alterações no grau de oxidação do ferro afetam a forma do espectro.

Assim, o espectro da porção do filme de Fe com a espessura máxima (3 μm) é semelhante ao espectro de Fe a granel, mas quando o filme é diluído para o mínimo experimental de 0,5 μm, o espectro adquire recursos de FeO _x (marcados por setas pretas em 1 ).

Essa observação é uma evidência prática da presença de uma camada intermediária de FeOx entre as principais camadas de Fe e BaTiO ₃ , cuja espessura deve ser de aproximadamente 2–3 Å.

Imagens contrastantes magneticamente do RCDM das zonas de domínio da cunha Fe ( 1f ) não mostraram impressões (efeitos) das zonas de domínio FE / BTO. Os cientistas, pelo contrário, esperavam tais impressões, com base nos princípios da magnetostrição.

Magnetostrição * - alterações no volume e no tamanho do corpo devido a alterações na magnetização.

Ao mesmo tempo, os cientistas observam que a ausência de tais impressões não exclui a presença de uma ligeira transferência de deformação entre o substrato e o filme de ferro, ou seja, a incompatibilidade da rede em menos de 10%.

Também na imagem 1f, vemos uma transição nítida e clara entre os estados paramagnéticos (cor branca) e ferromagnéticos (cor azul) com uma mudança na espessura do filme de ferro. Uma comparação do RCDM do perfil de cunha com o perfil de espessura de Fe ( 1g ) ao longo de uma linha mostrou uma espessura crítica de filme (t _FM ) de 13 Å, na qual ocorre uma transição tão acentuada de um estado magnético para outro.

E aqui é importante notar que, a uma temperatura de 320 K, o valor da espessura crítica de um ferro-ímã em filmes epitaxiais coerentes altamente ordenados é de aproximadamente 1 camada monoatômica. E isso é muito menor do que no caso do compósito estudado. Consequentemente, isso indica a presença de um estado de superparamagnetismo em t _Fe <t _FM , ou seja, em uma espessura de Fe (no experimento) maior que a espessura do ferromagnet (em teoria). E isso pode ser devido à estrutura nanocristalina do filme.


Imagem No. 2

A imagem acima é o resultado da microscopia de campo escuro da região com a maior espessura de filme de ferro (3 μm). Aqui vemos uma camada uniforme de Fe de uma estrutura nanocristalina com grãos (cristalitos) de tamanho de 2-3 nm. Nesse caso, a distância planar de um desses grãos é de 2,86 Å, que se correlaciona com a simetria centrada no corpo (syngony) da treliça de cristal de ferro.


Imagem No. 3

E agora o mais importante é o efeito magnetoelétrico e sua dependência da tensão.

Antes de iniciar os testes de tensão, a amostra foi primeiro resfriada a 60 K e depois aquecida novamente a 320 K. Esse procedimento alterou a estrutura inicial dos domínios magnéticos da camada de ferro.

A imagem 3a mostra uma imagem RCDM em V = 0 V, ou seja, na ausência de um efeito de voltagem em uma determinada porção da amostra. Na região espessa da cunha ferromagnética, os domínios magnéticos (listras azuis e brancas) cujas paredes estão orientadas ao longo de [¯110] _pc são claramente visíveis. A direção da magnetização dentro dessas zonas de domínio “segue” ao longo de [010] _pc / [0¯10] _pc (novas faixas brancas) ou ao longo de [100] _pc (faixas azuis originais). Uma estrutura semelhante de domínios magnéticos com a formação de locais rotacionados 90 ° em relação à posição inicial pode ser associada ao ciclo térmico acima mencionado ou à diferença de temperatura nesse ciclo devido à ferroelasticidade.

Além disso, a amostra foi exposta a uma tensão de V = +74 V, o que tornou os domínios magnéticos mais distintos ( 3b ). Após uma hora dessa tensão, novos domínios magnéticos com uma orientação ao longo de [100] _pc (azul) ou [010] _pc / [0¯10] _pc (branco) tornaram-se visíveis. Isso é mostrado na figura 3c . Segundo os cientistas, as novas zonas de domínio na direção [100] _{pc se} assemelham a paredes ferroelásticas a ₁ −c. Isso significa que o substrato BTO foi transformado em um ferroelástico V1-c ^V (SC).

A imagem 3d mostra todas as zonas do domínio magnético já com uma tensão de 170 V. Cada zona foi marcada com uma letra latina, dependendo da direção magnética:

α - [010] _pc / [0¯10] _pc (áreas brancas);
β - [100] _pc (áreas azuis);
γ é a região em que as impressões dos antigos domínios ferroelásticos a ^{T1-a T2} _são preservadas.

O aumento da tensão levou ao deslocamento e troca da posição das zonas do domínio. Teoricamente, essa coexistência de várias zonas de domínio magnético diferentes é compreensível, mas na prática foi demonstrada pela primeira vez.

Os cientistas não viram nenhuma dependência particular dos domínios magnéticos ao longo do eixo [100] _pc no gradiente da espessura do filme de ferro. Mas, ao mesmo tempo, eles observam que o efeito da tensão levou a um aumento nas propriedades ferromagnéticas mais próximas da espessura mínima do Fe (nas regiões β).

Além disso, foi realizada uma exposição com voltagem de +170 V a -170 V, o que confirmou a declaração dos cientistas acima em relação às regiões β.


Imagem No. 4

Se compararmos as imagens de 3d e 4a , podemos ver mudanças nessas áreas (expansão e estreitamento). Isso está associado ao relaxamento da deformação em materiais policristalinos que ocorre ao longo do tempo. Somente aquelas regiões da camada de Fe permaneceram inalteradas onde os domínios da BTO foram transformados recentemente. As figuras 4b e 4c mostram linhas tracejadas ao longo do [100] _pc , que indicam as áreas onde ocorreu a transição de α para β.

O gráfico 4d mostra os resultados de uma análise da extensão das regiões ferromagnéticas. Vemos que o crescimento da ordem magnética de longo alcance se estende a 1,3 μm ao longo do [100] _pc .

Ordem magnética de longo alcance * - a ordem de orientação dos momentos magnéticos dos átomos, estendendo-se por distâncias muito mais que interatômicas.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances e detalhes do estudo, recomendo fortemente que você analise o relatório do grupo de pesquisa .

Epílogo

A conclusão mais básica que pode ser extraída desse experimento é que a expansão local do ferromagnetismo para regiões mais estreitas da camada de Fe é viável por meio de uma ação controlada de uma certa tensão na amostra. Os cientistas atribuem esse processo à modificação magnetoelástica da anisotropia magnética associada aos cristais de ferro, que por sua vez leva ao aparecimento de uma transição superparamagnética / superferromagnética à temperatura ambiente.

Este estudo nos levou um passo mais perto para entender como a ordem magnética em um campo elétrico pode ser controlada, enquanto controlamos o tamanho dos domínios ferromagnéticos, reduzindo-o ao tamanho dos domínios FE, usando estruturas de filmes finos em vez de cristais únicos.

Controle e controle novamente. Não é suficiente entendermos como certos processos físicos ou químicos ocorrem ao nosso redor, queremos controlá-los. E os cientistas estão fazendo todo o possível para conter até mesmo os processos que até agora eram considerados controlados apenas pela própria natureza. Só podemos esperar que esses estudos, como o que examinamos hoje, sejam voltados para a criação, não para a destruição.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma ótima semana de trabalho, pessoal.

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