Контроль и еще раз контроль: изменение магнитной направленности за счет напряжения в Fe/BaTiO3



    Физические явления и процессы имеются во всем, что нас окружает (химические тоже, но сегодня не о них). Сидите за компьютером — физика, смотрите в окно на птичек — физика, передержали мясо на огне, и оно превратилось в уголек, это тоже физика. От самых гигантских до самых малых объектов во Вселенной, везде есть те или иные проявления физики — свойства, характеристики, явления и процессы. А что многим ученым так хочется получить, зная практически все о каком-то процессе? Конечно же, контроль. Управление физическими процессами может дать очень много полезных плюшек, но достижение этого управления — процесс очень сложный, часто сопряженный с тем, что не до конца понятно. Сегодня мы с вами рассмотрим исследование, в котором группа ученых решила продемонстрировать возможности магнитоэлектрического (МЭ) эффекта, а точнее как можно получить контроль над магнитной направленностью и упорядочиванием посредством электрического поля при комнатных температурах. Как именно это реализуется, что из этого получается и какие перспективы? Ответы, как и всегда, ждут нас в докладе исследовательской группы. Поехали.

    Основа исследования


    Как уже было сказано в прологе, в основе всего и вся в данном исследовании лежит магнитоэлектрический (МЭ) эффект. Так что же это? МЭ эффект это взаимосвязь магнетизма и электрического поля — электрическая поляризация во внешнем магнитном поле или же намагниченность во внешнем магнитном поле. Одно усиливает другое. Занятная штука, но очень привередлива в отношении температур. У большинства монокристаллических материалов, обладающих МЭ эффектом, температура Кюри довольно низкая, то есть данный эффект проявляется только при температурах значительно ниже комнатных. А это сильно ограничивает практическое применения МЭ эффекта, несмотря на все его полезности.

    Исправить такой досадный недостаток можно используя не моноструктурные материалы, то есть состоящие из одного вещества, а композиционные — из нескольких, точнее из ферритов и пьезоэлектриков. Ибо ферриты очень чувствительны с магнитной точки зрения к внешнему электрическому полю.

    Сами исследователи знают это не понаслышке и как пример приводят композит из ферромагнитного Fe (железо) и BaTiO3 (титанат бария, BTO), который является одновременно сегнетоэлектриком и сегнетоэластиком (СЭ).
    Сегнетоэлектричество (или же ферроэлектричество)* это возникновение спонтанной поляризации в кристалле при определенной температуре даже без внешнего электрического поля.

    А сегнетоэластиком называют монокристаллические вещества, чья кристаллическая решетка может спонтанно деформироваться при понижении температуры и фазовом переходе.
    Помимо этого исследователи хотят получить контроль не только над всей гетероструктурой целиком, так сказать, а над отдельными наноструктурами и наночастицами. И ту может пригодиться недавнее исследование контроля над электрическим полем наночастиц суперпарамагнитного Ni, так как это позволяет манипулировать магнетизмом в нанометровом масштабе посредством воздействия на магнитоэластичную анизотропию изменяемого напряжения.

    В данной работе ученые решили более подробно исследовать МЭ эффект посредством анализа магнитных доменных структур нанокристаллической пленки Fe, выращенной на подложке из BaTiO3 (5х5 мм, 0.5 мм толщиной). По мнению ученых, они смогли доказать, что суперпарамагнитные частицы могут при комнатной температуре проявлять свойства суперферромагнитного состояния, и связано это с воздействием электрического поля на магнитоэластичную анизотропию.

    При комнатной температуре кристаллическая решетка BTO тетрагональная (с = 4. 036Å, a=b= 3.992 Å). Поляризация СЭ кристалла всегда направлена вдоль оси с. Помимо этого СЭ области а1-а2 с доменами, у которых направления поляризации и тетрагональной решетки чередуются между двумя ортогональными направлениями относительно подложки, и доменными стенками вдоль [110]pc сосуществуют с областями а1−с и а2−с с внутриплоскостной/внеплоскостной поляризацией и доменными стенками вдоль [100]pc и [010]pc.
    Å это единица измерения длины (в нашем случае толщины), 1 Å = 10−10 м или же 0.1 нм.
    Доменные зоны a1 и a2 приводят к 1.1 % одноосной деформации решетки (c − a)/a в самой подложке, а доменные зоны с изотропно деформированы (a = b).

    Стоит отметить, что у пленки Fe имеется регион градиента толщины («клин», если с точки зрения геометрии) шириной 30 мкм, разделяющий образец пополам. В этом участке толщина Fe (tFe) изменяется вдоль направления [¯100]pc BTO от 0.5 до 3 нм (нанометров). Во всех других областях толщина Fe неизменна: либо 0.5 нм, либо 3 нм. Состояние клина ученые подтвердили с помощью рентгеновской абсорбционной спектроскопии (РАС) и рентгеновского магнитного кругового дихроизма (РМКД).
    Рентгеновский магнитный круговой дихроизм* — разница двух спектров РАС, полученных в магнитном поле, с левым и правым циркулярно поляризованным светом.

    Далее образец был покрыт защитной пленкой Al толщиной 3 нм. После проведения измерений с помощью рентгеновской фотоэмиссионной электронной микроскопии была проверена атомная структура образца просвечивающим растровым электронным микроскопом.

    Результаты исследования



    Изображение №1

    Для начала коротко о том, что же мы видим выше. Изображения и 1b это снимки рентгеновской абсорбционной спектроскопии с краев Fe L3 и Ti L2, соответственно. Эти снимки подтверждают градиент толщины пленки Fe, ослабляющий сигнал Ti от BTO ().

    Сканирование энергии горизонтально поляризованного падающего рентгеновского излучения позволило получить пространственный спектр Ti L2,3 и Fe L2,3 (1d). Изменений относительно формы спектра Ti L2,3 по области клина Fe замечено не было. В отличие от Fe LL2,3, форма спектра которая изменяется с изменением толщины пленки железа. Данные изменения наилучшим образом видны на спектральной области L2 края (), где изменения степени окисления железа влияют на форму спектра.

    Таким образом, спектр участка пленки Fe с максимальной толщиной (3 мкм) аналогичен спектру объемного Fe, но при утоньшении пленки до экспериментального минимума в 0.5 мкм приводит к тому, что спектр приобретает черты FeOx (отмечено черными стрелками на ).

    Подобное наблюдение является практическим доказательством наличия промежуточного слоя FeOx между основными слоями Fe и BaTiO3, толщина которого должна составлять примерно 2–3 Å.

    Магнитно контрастные снимки РМКД доменных зон клина Fe (1f) не показали отпечатков (воздействия) доменных зон FE/BTO. Ученые же наоборот ожидали подобных отпечатков, опираясь на принципы магнитострикции.
    Магнитострикция* — изменения объема и размеров тела ввиду изменений его намагниченности.
    При этом ученые отмечают, что отсутствие подобных отпечатков не исключает наличия незначительного переноса деформации между подложкой и пленкой железа, то есть несостыковку решеток в менее чем 10%.

    Также на снимке 1f мы видим четкий и резкий переход между парамагнитным (белый цвет) и ферромагнитным состояниями (синий цвет) при изменении толщины пленки железа. Сопоставление РМКД профиля клина с профилем толщины Fe (1g) по одной линии показал критическую толщину пленки (tFM) в 13Å, при которой и возникает такой резкий переход от одного магнитного состояния к другому.

    И тут важно отметить, что при температуре в 320 К значение критической толщины ферромагнетика у высокоупорядоченных когерентных эпитаксиальных пленок равна примерно 1 моноатомному слою. А это значительно меньше, чем в случае исследуемого композита. Соответственно, это говорит о наличии состояния суперпарамагнетизма при tFe<tFM, то есть при толщине Fe (в эксперименте) большей, чем толщина ферромагнетика (в теории). А связано это может быть с нанокристаллической структурой пленки.


    Изображение №2

    Снимок выше это результат темнопольной микроскопии области с наибольшей толщиной пленки железа (3 мкм). Тут мы видим равномерный слой Fe нанокристаллической структуры с зернами (кристаллитами) размером в 2-3 нм. При этом плоскостное расстояние одного из таких зерен равно 2.86 Å, что соотносится с объёмно-центрированной симметрией (сингонией) кристаллической решетки железа.


    Изображение №3

    А теперь самое важное — магнитоэлектрический эффект и его зависимость от напряжения.

    Прежде чем начать испытания с напряжением, образец сначала охлаждали до 60 К, а потом вновь нагревали до 320 К. Такая процедура изменяла изначальную структуру магнитных доменов слоя железа.

    На изображении показан снимок РМКД при V = 0 В, то есть при отсутствии воздействия напряжения на данный участок образца. В утолщенной области ферромагнитного клина отчетливо видны магнитные домены (синие и белые полосы), стенки которых ориентированы вдоль [¯110]pc. Направление намагниченности внутри этих доменных зон «идут» либо вдоль [010]pc/[0¯10]pc (новые белые полосы), либо вдоль [100]pc (изначальные синие полосы). Подобная структура магнитных доменов с формированием участков, повернутых на 90° относительно изначального положения, может быть связана с вышеупомянутым термическим циклом или же с разницей температур в этом цикле ввиду сегнетоэластичности.

    Далее на образец воздействовали напряжением V = +74 В, что сделало магнитные домены более отчетливыми (3b). Спустя час такого напряжения стали видимы новые магнитные домены с направленностью вдоль [100]pc (синие) или [010]pc/[0¯10]pc (белые). Это показано на снимке . Новые доменные зоны по направлению [100]pc напоминают, по мнению ученых, ферроупругие стенки a1−c. А это значит, что подложка BTO преобразовалась в aV1 −cV сегнетоэластик (СЭ).

    На снимке 3d показаны все магнитные доменные зоны уже при напряжении в 170 В. Каждая зона была отмечена латинской буквой в зависимости от магнитной направленности:

    α — [010]pc/[0¯10]pc (белые зоны);
    β — [100]pc(синие зоны);
    γ — область, где сохранились отпечатки прежних ферроупругих доменов aT1 −aT2.

    Увеличение напряжения привело к перемещению и обмену положением доменных зон. Теоретически подобное сосуществование нескольких разных магнитных доменных зон объяснимо, но на практике было продемонстрировано впервые.

    Ученые не видели никакой особой зависимости магнитных доменов вдоль оси [100]pc от градиента толщины пленки железа. Но при этом они отмечают, что воздействие напряжения привело к усилению ферромагнитных свойств ближе к минимальной толщине Fe (в областях β).

    Далее проводилось воздействие напряжением от +170 В до -170 В, которое подтвердило вышесказанное утверждение ученых касательно областей β.


    Изображение №4

    Если сравнить снимки 3d и , то можно увидеть изменения данных областей (расширение, а потом сужение). Это связывают с релаксацией деформации в поликристаллических материалах, возникающей с течением времени. Неизменными остались лишь те регионы слоя Fe, где домены BTO преобразовались совсем недавно. На снимках 4b и 4c имеются пунктирные линии вдоль [100]pc, которые указывают на области, где произошел переход от α к β.

    График 4d показывает результаты анализа протяженности ферромагнитных областей. Мы видим, что рост дальнего магнитного порядка распространяется на 1.3 мкм вдоль [100]pc.
    Дальний магнитный порядок* — порядок ориентации магнитных моментов атомов, распространяющийся на расстояния, значительно больше межатомных.
    Для более детального ознакомления с нюансами и подробностями исследования настоятельно рекомендую заглянуть в доклад исследовательской группы.

    Эпилог


    Самым основным выводом, который можно сделать из данного эксперимента, является то, что локальное расширение ферромагнетизма в направлении более узких регионов слоя Fe осуществимо посредством управляемого воздействия на образец определенного напряжения. Ученые объясняют этот процесс магнитоупругой модификацией магнитной анизотропии, связанной с кристаллами железа, что в свою очередь приводит к возникновению суперпарамагнитного/суперферромагнитного перехода при комнатной температуре.

    Данное исследование еще на шаг приблизило нас к пониманию того, как можно управлять магнитным упорядочиванием в электрическом поле, контролируя при этом размер ферромагнитных доменов, уменьшая его до размеров СЭ доменов, используя структуры из тонких пленок вместо монокристаллов.

    Контроль и еще раз контроль. Нам мало понимать как протекают те или иные физические или химические процессы вокруг нас, мы хотим контролировать их. И ученые делают все возможное, чтобы обуздать даже те процессы, которые доселе считались подконтрольны лишь самой природе. Нам же остается надеяться, что подобные исследования, как и рассмотренное нами сегодня, будут направлены на созидание, а не на разрушение.

    Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличной всем рабочей недели, ребята.

    Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

    VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до весны бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

    Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
    ua-hosting.company
    366,00
    Хостинг-провайдер: серверы в NL / US до 100 Гбит/с
    Поделиться публикацией

    Комментарии 2

      0
      Название странное. Скажите, термин «Магнитная направленность» вами введен самостоятельно, или это перевод? Кроме того, что подразумевается под словом «Напряжение»?

      НАПРЯЖЕ́НИЕ
      Словарная статья о слове «НАПРЯЖЕ́НИЕ»
      Средний род

      1. Сосредоточение сил, внимания при осуществлении чего-н. «Слушать с напряжением»
      2. Трудное, напряжённое (в 1 знач.) положение в какой-н. области деятельности.
      3. Величина давления или растяжения, приходящихся на единицу площади твёрдого тела при внешнем воздействии спец..
      4. Величина, характеризующая силу электрической энергии при движении электрического заряда. «Ток высокого напряжения»
        +2
        Это подразумевает «читаю с напряжением» Ваш комментарий и не пойму где Вы такие скучные берётесь.

      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

      Самое читаемое