Мультиферроики

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М.АКМУЛЛЫ»

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

 

 

 

Кафедра общей и теоретической  физики

Направление Физико-математическое

образование профиль Физика

Курс IV

Реферат на тему: «Мультиферроики»

 

 

 

 

Выполнил: студент 4 курса  ФМФ Урманов Ильдар

                                                 Проверила: к.ф-м.н., доцент, Гареева З.В.

                                             

                                                  

 

Уфа 2012

Мультиферроиками называют материалы, в которых сосуществуют одновременно два и более типов «ферро» упорядочения: ферромагнитное, сегнетоэлектрическое и сегнетоэластичность.

История

Впервые предположение о  возможности сосуществования магнитного и электрического порядка в одном  кристалле было сделано Пьером Кюри, теоретически показавшем, что в кристаллах с определённой симметрией могут  одновременно существовать магнитное  и электрическое упорядочения. 
Экспериментально такие соединения были обнаружены в середине 20 века и названы сегнетомагнетиками. В 1958 году группа ленинградских физиков во главе с Г. А. Смоленским в Физико-Техническом институте им. А. Ф. Иоффе обнаружила ряд сегнетоэлектриков со структурой перовскита и значительным содержанием ионов железа. Последнее обстоятельство дало основание надеяться, что эти соединения могут быть одновременно сегнетоэлектриками и ферромагнетиками. В 1961 году был получен первый образец поликристалла PbO₃, соеднивший в себе сегнетоэлектрическое и антиферромагнитное упорядочения.. Название «мультиферроики» закрепилось после обзорной статьи Ганса Шмидта с соответствующим названием. Стоит заметить, что если термин "сегнетомагнетики" означал сосущестование ферромагнитного и сегнетоэлектрического порядка, то термин "мультиферроики", в принципе, более общий и обозначает сосущестование любых двух "ферро" упорядочений. Однако зачастую понятие "мультиферроики" употребялется в более узком смысле, тождественном значению термина "сегнетомагнетики". 
В течение длительного времени мультиферроики являлись узкой и не слишком популярной областью исследования, однако с начала 21 века интерес к ним значительно возрос

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Связь между магнитным  и электрическим упорядочениями.

В мультиферроиках, помимо свойств, характерных для каждого типа упорядочения в отдельности присутствуют свойства, связанные с взаимодействием электрической и магнитной подсистем:

1. Магнитоэлектрический эффект
2. Эффект магнитоэлектрического контроля
3. Магнитодиэлектрический эффект или «магнитоёмкость».

 

Проблема  пустых облочек

 

Наиболее перспективными кандидатами в мультиферроики являются перовскиты. Среди них есть множество магнитных материалов, кроме того такой структурой обладают классические сегнетоэлектрикиTiO₃). Однако мультиферроиков со структурой перовскита немного. Причина заключается в следующем: традиционные сегнетоэлектрики содержат ионы переходных металлов с пустыми d-оболочками. Пустые «d-0» состояния используются для создания сильной ковалентной связи с окружающими ионами кислорода. При низких температурах иону переходного металла оказывается более выгодным сдвинуться из центра октаэдра к одному из кислородов и образовать с ним сильную связь, чем поддерживать слабую связь со всеми кислородами одновременно. За счёт этого смещения и возникает сегнетоэлектрическое упорядочение. Для появления же магнетизма нужно, чтобы на d-оболочках сидели неспаренные электроны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Типы мультиферроиков.

Если механизм возникновения  ферро- или антиферромагнитного  упорядочения одинаков для всех магнетиков и связан обменным взаимодействием  электронов d и f орбиталей, то механизмы возникновения сегнетоэлектрического для разных мультиферроиков могут быть совершенно различны. В связи с этим можно вести речь о разных типах мультиферроиков. 
Существуют два основых типа мультиферроиков:

 

Мультиферроики I типа

 

Магнетизм и сегентоэлектричество возникают независимо друг от друга. 
Мультиферроики первого типа исследуются дольше, их открыто большее количество. Для них температура магнитного упорядочения ниже температуры электрического упорядочения. Величина поляризации достаточно высока. Однако связь между двумя типами упорядочения слаба.

Ниже приведены некоторые  механизмы возникновения сегнетоэлектрического  упорядочения в мультиферроиках I типа.

- Смешанные перовскиты

Можно просто перемешать системы  с магнитными ионами и ионами с  пустыми d-оболочками. По этому пути пошли Смоленский и его группа, получившие целый ряд мультиферроиковO₃, PbO₃, PbO₃), которые были сегнетоэлектриками и антиферромагнетиками одновременно.

- Одиночные пары

В некоторых перовскитах  за сегнетоэлектрическое упорядочение отвечает не ион переходного металла, а А-ион. Это случается, например, в BiFeO₃, BiMnO₃ или PbVO₃, имеющих в своей структуре в качестве А-ионов Bi или Pb. В них есть два 6s электрона, называемые одиночной парой, которые не участвуют в образовании химической связи. При упорядочении этих ненасыщенных связей происходит переход в сегнетоэлектрическое состояние.

- Зарядовое упорядочение

Механизм зарядового упорядочения. Чёрными стрелками показано направление  локальной поляризации, красной  стрелкой — направление суммарной поляризации

Однородная цепочка атомов, все они эквивалентны и электрически нейтральны. На изображена цепочка разноимённо заряженных ионов, то есть появилось зарядовое в узлах. Такое упорядочение не нарушает инверсную симметрию, так что система в целом дипольного момента не имеет. 
Узлы остаются эквивалентными, но связи между узлами неодинаковы: одни более сильные, другие более слабые, то есть распределение электронной плотности неравномерное. Между связями с разной величиной заряда возникает дипольный момент, реализуется зарядовое упорядочение на связях. Однако инверсная симметрия не нарушается, и система остаётся неполярной.

Случай сосуществования  зарядового упорядочения в узлах и на связях. Теперь в цепочке присутствуют противоположно направленные диполи разной величины. Инверсная симметрия нарушается, в результате чего система становится сегнетоэлектрической.

 

Мультиферроики II типа

 

Появление сегнетоэлектрического  упорядочения является следствием существования  магнитного упорядочения. Мультиферроикам второго типа свойственны низкие температуры упорядочения. Поскольку сегнетоэлектричество появлется вследствие магнитного упорядочения, температура сегнетоэлектрического перехода всегда ниже температуры магнитного перехода. Величина поляризации низкая. Связь между двумя типами упорядочения сильная.

 

- Появление сегнетоэлектричества в коллинеарных магнетиках

 

 

Для его появления сегнетоэлектрического  порядка в коллинеарных магнетиках требуется присутствие неэквивалентных  магнитных ионов с разными  зарядами. Это могут быть ионы разных переходных металлов или ионы одного элемента, но разной валентности. Магнитная структура инверсно-симметрична и зарядовая тоже, но их центры симметрии различны. Таким образом, система в целом теряет элемент симметрии и может стать сегнетоэлектрической.

 

- Появление сегнетоэлектричества в неколлинеарных магнетиках

 

В настоящее время в  литературе существуют две теории, объясняющие возникновения сегнетоэлектричества в неколлинеарных магнетиках 
Одна объясняет появление поляризации фрустрированным магнитным состоянием. При конкуренции двух типов обменного взаимодействия устанавливается волна спиновой плотности определённого вида. Пока эта волна инверсно-симметрична, поляризации нет. При дальнейшем понижении температуры симметрия волны понижается, и поляризация приобретает отличное от нуля значение. 
Другая модель предполагает, что сегнетоэлектрическое упорядочение в такого вида мультиферроиках появляется вследствие упорядочения Дзялошинского-Мория. 
У многих антиферромагнетиков особенности кристаллической структуры таковы, что атомы, относящиеся в подрешёткам с противоположно направленными намагниченностями, находятся в не совсем эквивалентных кристаллографических положениях. По этой причине, силы магнитной анизотропии, ответственные за ориентацию магнитных моментов относительно кристаллографических осей, могут оказаться для этих атомов неодинаковыми. В результате намагниченности подрешёток станут неколлинеарными, нарушится их точная взаимная компенсация и возникнет небольшая спонтанная намагниченность. Явление возникновения этой спонтанной намагниченности было названо слабым ферромагнетизмом. Его теоретическое описание было дано Дзялошинским, а затем дополнено, поэтому тип анизотропного взаимодействия в антиферромагнетике, приводящий к возникновению слабого ферромагнетизма называют эффектом Дзялошинского-Мориа.

Известные неколлинеарные мультиферроики второго типа являются манганитами.

В результате эффекта Дзялошинского-Мориа происходит смещению ионов О, расположенных между ионами Mn. При этом оказывается, что в спиральном состоянии взаимодействие Дзялошинского-Мориа смещает все кислороды в одном направлении, перпендикулярном спиновой цепочке. Поскольку ионы кислорода заряжены отрицательно, а ионы марганца, образующие спиновую цепочку, положительно, возникает электрическая поляризация.

Мультиферроики как перспективные материалы микроэлектроники

В последние три года наблюдается  всплеск интереса к мультиферроикам, веществам в которых сосуществуют магнитное и электрическое упорядочения. С одной стороны, создание на единой материальной платформе устройств, преобразующих информацию в форме намагниченности в электрическое напряжение и обратно, является весьма привлекательным решением насущных задач сенсорной техники, магнитной памяти и микроэлектроники, в частности спинтроники, стремящейся соединить достоинства энергонезависимой магнитной памяти и быстродействующих электрических систем обработки информации. С другой стороны, опыт, накопленный с момента обнаружения первых мультиферроиков (начало 60-х годов XX века), позволил, наконец, создавать материалы в обычных условиях, демонстрирующих сильные магнитоэлектрические свойства. Вот почему сейчас говорят о настоящем «ренессансе» магнитоэлектрической (МЭ)  тематики, выражающемся в появлении секций, посвященных мультиферроикам, на симпозиумах по магнетизму (в частности, на школе-семинаре НМММ-20, к которой приурочен данный выпуск Бюллетеня), проведении специальных конференций и экспоненциальном росте публикаций на эту тему.

Взаимодействие электрической  и магнитной подсистем в мультиферроиках может проявляться в виде целого ряда эффектов. Практический интерес среди них представляют три:

• Линейный МЭ эффект (индуцированная магнитным полем электрическая поляризация и индуцированная электрическим полем намагниченность)
• эффект взаимного МЭ контроля (переключения спонтанной поляризации магнитным полем и спонтанной намагниченности электрическим полем)
• эффект магнитоемкости (изменение диэлектрической постоянной под действием магнитного поля).  

В настоящее время для  детектирования магнитного поля используются датчики Холла и элементы на гигантском магнитосопротивлении. Принцип действия этих устройств предполагает протекание электрического тока, что приводит к омическим потерям. Кроме того, при современных скоростях считывания информации в жестких дисках значительными становятся потери на вихревые токи, возникающие в проводящих частях элементов. Еще большую трудность представляет задача генерации магнитного поля в устройствах магнитной памяти. Дальнейшее увеличение плотности записи информации требует создания все более сильных полей в малых объемах. Применяющиеся в настоящее время индуктивные элементы уже не удовлетворяют этим возрастающим требованиям: генерация сильных магнитных полей требует увеличения токов в катушках записи, что влечет за собой увеличение омических потерь, разогрев и перегорание элементов. Кроме того, магнитные катушки страдают от вихревых токов и сложны в изготовлении. 

Мультиферроики как материалы для магнитоэлектрических преобразователей могут стать естественным решением проблемы, лишенным недостатков используемых в настоящее время устройств. Преобразование магнитного поля в электрическое напряжение с помощью магнитоэлектриков не требует протекания электрических токов, что снижает омические потери; диэлектрические свойства мультиферроиков избавляют также от потерь, связанных с вихревыми токами. Емкостные элементы на основе магнитоэлектриков лучше совместимы с планарной технологией, требованиями миниатюризации и необходимостью создания больших напряженностей магнитного поля в малых объемах.

Особый интерес представляет использование мультиферроиков в спинтронике, использующей транспортные свойства спин-поляризованных электронов. Многие мультиферроики кристаллизуются в структуры, схожие с магнитными полуметаллами, что позволяет комбинировать эти материалы в многофункциональные эпитаксиальные гетероструктуры, где слой мультиферроика будет использоваться как сегнетоэлектрический туннельный переход, управляемый магнитным полем или магнитный туннельный переход, управляемый электрическим полем.