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 (t_Fe) 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 1а 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 (1с).

Сканирование энергии горизонтально поляризованного падающего рентгеновского излучения позволило получить пространственный спектр Ti L_2,3 и Fe L_2,3 (1d). Изменений относительно формы спектра Ti L2,3 по области клина Fe замечено не было. В отличие от Fe LL_2,3, форма спектра которая изменяется с изменением толщины пленки железа. Данные изменения наилучшим образом видны на спектральной области L₂ края (1е), 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 FeO_x (отмечено черными стрелками на 1е).

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 (t_FM) 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 t_Fe<t_FM, 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 3а 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 3с. Новые доменные зоны по направлению [100]_pc напоминают, по мнению ученых, ферроупругие стенки a₁−c. А это значит, что подложка BTO преобразовалась в a^V₁ −c^V 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 a^T₁ −a^T₂.

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 4а, 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?