techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2022-12-3-90-104techusgu-38Research ArticleФИЗИКАPHYSICSСтруктура и свойства мультиферроидальных ленгмюровских пленок на основе наночастиц титаната бария и магнетитаStructure and PRoperties of Multiferroic Langmuir Films Based on Barium Titanate and Magnetite Nanoparticleshttps://orcid.org/0000-0001-7089-0692КузьменкоА. П.KuzmenkoA. P.

Кузьменко Александр Павлович, доктор физико-математических наук, профессор,  главный научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Alexander P. Kuzmenko, Dr. of Sci. (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher of the Regional Center for Nanotechnology

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

apk3527@mail.ruЛоктионоваИ. В.LoktionovaI. V.

Локтионова Инна Владимировна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей  и прикладной физики

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Inna V. Loktionova, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Associate Professor of the Department of Nanotechnology, Microelectronics,  General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

ms.chuhaeva@mail.ruАбакумовП. В.AbakumovP. V.

Абакумов Павел Владимирович, кандидат физико-математических наук, старший  научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Pavel V. Abakumov, Cand. of Sci. (Physics and Mathematics), Senior Researcher of the Regional Center for Nanotechnology

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

abakumovpavel18@gmail.comБулгаковаА. А.BulgakovaA. A.

Булгакова Анастасия Александровна,  студент кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Anastasia A. Bulgakova, Student of Department of Nanotechnology, General and Applied Physics

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

bulgakova.0@mail.ruСизовА. С.SizovA. S.

Сизов Александр Семёнович, доктор  физико-математических наук, профессор

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Alexander S. Sizov, Dr. of Sci. (Physics and Mathematics), Professor

50 Let Oktyabrya Str. 94, Kursk 305040

sizov@mail.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian Federation20222704202312390104Copyright © Кузьменко А.П., Локтионова И.В., Абакумов П.В., Булгакова А.А., Сизов А.С., 20232023Кузьменко А.П., Локтионова И.В., Абакумов П.В., Булгакова А.А., Сизов А.С.Kuzmenko A.P., Loktionova I.V., Abakumov P.V., Bulgakova A.A., Sizov A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/38Цель

Цель. Получение методом Ленгмюра – Блоджетт мультиферроидальных нанопленок из стабилизированных магнетита и титаната бария, установление наноструктурной взаимосвязи и управления их свойствами под воздействием как магнитных, так и электрических полей.

Методы

Методы. Осаждение мультиферроидальных нанопленок магнетита и титаната бария методом Ленгмюра – Блоджетт, методы зондовой микроскопии, ИК-Фурье спектроскопии, комбинационного рассеяния света, рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа, микроскопия пьезоотклика и температурная зависимость магнитосопротивления.

Результаты

Результаты. Методом химической конденсации синтезирован высокодисперсный стабилизированный магнетит с размерами частиц по данным атомно-силовой микроскопии 25 нм. Получены нанопленки стабилизированного магнетита методом Ленгмюра – Блоджетт. Методом ИК-Фурье-спектроскопии и комбинационного рассеяния света подтверждена их химическая структура – наблюдались линии, соответствующие как магнетиту, так и его стабилизирующим оболочкам. По данным рентгеновской дифрактометрии рассчитан период кристаллической решетки кубической сингонии магнетита 8,3566 Å. Созданы методом Ленгмюра – Блоджетт композитные слоистые структуры из высокогомогенных пленок титаната бария и магнетита. Установлен эффект монодоменизации исследуемых пленок с размерами, соответствующими суперпарамагнитному диапазону, вызванный ожидаемым ростом намагниченности насыщения в пленочной структуре магнетита по сравнению с объемным материалом. Исследована температурная зависимость магнитосопротивления. Проведенные исследования позволили подтвердить возникновение магнитоэлектрического эффекта в данных нанокомпозитных структурах, возникновение которого обусловлено проявлением комплекса магнитострикционных и пьезоэлектрических свойств, характерных для составляющих фаз.

Заключение

Заключение. В созданных методом Ленгмюра – Блоджетт мультиферроиках в виде композитных нанопленочных структур из стабилизированных наночастиц титаната бария/магнетита подтверждена возможность обратимого управления магнитными или электрическими полями на магнитострикционные и пьезоэлектрические свойства за счет сочетания как прямого, так и обратного пьезо- и магнитострикционных эффектов.

Purpose

Purpose. Obtaining multiferroic nanofilms from stabilized magnetite and barium titanate by the Langmuir-Blodgett method, establishing the nanostructural relationship and controlling their properties under the influence of both magnetic and electric fields.

Methods

Methods. Deposition of multiferroic magnetite and barium titanate nanofilms by the Langmuir-Blodgett method, probe microscopy, FTIR spectroscopy, Raman light scattering, X-ray phase and X-ray structural analysis, piezo response microscopy and temperature dependence of magnetoresistance.

Results

Results. А highly dispersed stabilized magnetite with a particle size of 25 nm according to atomic force microscopy data was synthesized by chemical condensation method. Stabilized magnetite nanofilms were obtained by the Langmuir-Blodgett method. Their chemical structure was confirmed by FTIR spectroscopy and Raman spectroscopy - lines corresponding to both magnetite and its stabilized shells were observed. Based on X-ray diffractometry data, the lattice period of the cubic syngony of magnetite was calculated to be 8.3566 Å. Composite layered structures made of highly homogeneous films of barium titanate and magnetite were created by the Langmuir-Blodgett method. The monodomainization effect of the investigated films with dimensions corresponding to the superparamagnetic range caused by the expected growth of saturation magnetization in the magnetite film structure as compared to the bulk material was established. The temperature dependence of magnetoresistance was investigated. The studies made it possible to confirm the occurrence of the magnetoelectric effect in these nanocomposite structures, the occurrence of which is caused by the manifestation of a complex of magnetostrictive and piezoelectric properties characteristic of the constituent phases.

Conclusion

Conclusion. In Langmuir-Blodgett multiferroics in the form of composite nanofilm structures of stabilized barium titanate/magnetite nanoparticles the possibility of reversible control of magnetic or electric fields on magnetostrictive and piezoelectric properties by combining both forward and reverse piezo- and magnetostrictive effects was confirmed.

магнетиттитанат бариямультиферроикимагнитоэлектрический эффектметод Ленгмюра – Блоджеттmagnetitebarium titanatemultiferroicsmagnetoelectric effectLangmuir-Blodgett methodПубликация подготовлена в рамках реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (Соглашения № 075-15-2021-1155 и № 075-15-2021-1213).The publication was prepared as part of the implementation of the strategic academic leadership program "Priority 2030" (Agreements No. 075-15-2021-1155 and No. 075-15-2021-1213).ReferencesПрямой и обратный магнитоэлектрический эффект в орторомбических монокристаллах Dy1-xHOxMnO3 / А. Л. Фрейдман, И. Н. Хороший, М. И. Колков, К. Ю. Терентьев // Физика твердого тела. 2021. Т. 63, № 12. С. 2119–2125. https://doi/org/10.21883/FTT.2021.12.51673.185Freidman A. L., Horoshii I. N., Kolkov M. I., Terentyev K. Yu. Pryamoi i obratnyi magnitoelektricheskii effekt v ortorombicheskikh monokristallakh Dy1-xHOxMnO3 [Direct and inverse magnetoelectric effects in orthorhombic single crystals Dy1-xHoxMnO3]. Fizika tverdogo tela = Physics of the Solid State, 2021, vol. 63, no. 12, pp. 2119–2125. https://doi.org/10.21883/FTT.2021.12.5163.185The direct magnetoelectric effect in ferroelectric-ferromagnetic epitaxial heterostructures / I. Fina, N. Dix, J.-M. Rebled [et al.] // Nanoscale. 2013. Vol. 5, no. 17. P. 8037–8044. https://doi.org/10.1039/c3nr01011bFina I., Dix N., Rebled J.-M., eds. Direct magnetoelectric effect in ferroelectric-ferromagnetic epitaxial heterostructures. Nanoscale, 2013, vol. 5, no. 17, pp. 8037–8044. https://doi.org/10.1039/c3nr01011bThe direct and the converse magnetoelectric effect in multiferroic cobalt ferrite–barium titanate ceramic composites / M. Etier, V. Shvartsman, S. Salomon [et al.] // Journal of the American Ceramic Society. 2016. Vol. 99, no. 11. P. 3623–3631. https://doi.org/10.1111/JACE.14362Ethier M., Shvartsman V., Salomon S., eds. The direct and the converse magnetoelectric effect in multiferroic cobalt ferrite–barium titanate ceramic composites. Journal of the American Ceramic Society, 2016, vol. 99, no. 11, pp. 3623–3631. https://doi.org/10.1111/JACE.14362Switching of perpendicular exchange bias in Pt/Co/Pt/α-Cr2O3/Pt layered structure using magneto-electric effect / K. Toyoki, Y. Shiratsuchi, Atsushi Kobane [et al.] // Journal of Applied Physics. 2015. Vol. 117, no. 17. P. 17D902. https://doi.org/10.1063/1.4906322Toyoki K., Shiratsuchi Y., Kobane Atsushi, eds. Switching of the perpendicular exchange displacement in the layered structure of Pt/Co/Pt/α-Cr2O3/Pt using the magnetoelectric effect. Journal of Applied Physics, 2015, vol. 117, no. 17, pp. 17D902. https://doi.org/10.1063/1.4906322Electric polarization reversal and memory in a multiferroic material induced by magnetic fields / N. Hur, S. Park, P. Sharma, J. Ahn, S. Guha, S. Cheong // Nature. 2004. Vol. 429. P. 392–395.Hur N., Park S., Sharma P., An J., Guha S., Chong S. Electric polarization reversal and memory in a multiferroic material induced by magnetic fields. Nature, 2004, vol. 429, pp. 392–395.Kleemann, W. Multiferroic and magnetoelectric materials – Developments and perspectives / W. Kleemann, P. Borisov, V. V. Shvartsman, S. Bedanta // The European Physical Journal Conferences. 2012. Vol. 29. P. 00046Kleeman V., Borisov P., Shvartsman V. V., Bedanta S. Multiferroic and magnetoelectric materials – developments and prospects. The European Physical Journal Conferences, 2012, vol. 29, p. 00046.Стрейнтроника – новое направление микро- и наноэлектроники и науки о материалах / А. А. Бухараев, А. К. Звездин, А. П. Пятаков, Ю. К. Фетисов // Успехи физических наук. 2018. Т. 188. С. 1288–1330. https://doi.org/10.3367/UFNr.2018.01.038273Bukharaev A. A., Zvezdin A. K., Pyatakov A. P., Fetisov Yu. K. Streintronika – novoe napravlenie mikro- i nanoelektroniki i nauki o materialakh [Straintronics: a new trend in micro- and nanoelectronics and materials science]. Uspekhi fizicheskikh nauk = Physics-Uspekhi, 2018, vol. 188, pp. 1288–1330. https://doi.org/10.3367/UFNr.2018.01.038279Spaldin N. A., Ramesh R. Advances in magnetoelectric multiferroics // Nature materials. 2019. Vol. 18, no. 3. P. 203–212.Spaldin N. A., Ramesh R. Achievements in the field of magnetoelectric multiferroics. Natural materials, 2019, vol. 18, no. 3, pp. 203–212.Калгин А. В. Прямой магнитоэлектрический эффект в двухслойных керамических композитах на основе ферримагнетика Mn0.4Zn0.6Fe2O4 и сегнетоэлектрика PbZr0.53Ti0.47O3 // Физика твердого тела. 2021. Т. 63, № 7. С. 888–893.Kalgin A. V. Pryamoi magnitoelektricheskii effekt v dvukhsloinykh kerami- cheskikh kompozitakh na osnove ferrimagnetika Mn0.4Zn0.6Fe2O4 i segnetoelektrika PbZr0.53Ti0.47O3 [Direct magnetoelectric effect in bilayered ceramic composites based on Mn0. 4Zn0.6Fe2O4 ferrimagnet and PbZr0.53Ti0.47O3 ferroelectric]. Fizika tverdogo tela = Physics of the Solid State, 2021, vol. 63, no. 7, pp. 888–893.Magnetoelectric effect in Ni1−xZnxFe2O4/PZT thin film heterostructures / Peng Zhou, Zhigiand Zheng, Yajun Qi [et al.] // Physics Letters A. 2022. Vol. 426. Р. 127897. https://doi.org/10.21016/j.physleta.2021.127837Peng Zhou, Zhigiand Zheng, Yajun Qi, eds. Magnetoelectric effect Ni1-xZnxFe2O4/PZT in thinfilm heterostructures. Physics Letters A., 2022, vol. 426, p. 127897. https://doi.org/10.21016/j.phusleta.2021.127897Филиппов Д. А., Лалетин В. М., Galichyan T. A. Магнитоэлектрический эффект в двухслойной магнитострикционно-пьезоэлектрической структуре // Физика твердого тела. 2013. Т. 55, № 9. С. 1728–1733.Filippov D. A., Laletin V. M., Galichyan T. A. Magnitoelektricheskii effekt v dvukhsloinoi magnitostriktsionno-p'ezoelektricheskoi strukture [Magnetoelectric effect in a magnetostrictive-piezoelectric bilayer structure]. Fizika tverdogo tela = Physics of the Solid State, 2013, vol. 55, no. 9, pp. 1728–1733.Низкочастотный магнитоэлектрический эффект в двухслойной магнитострикционно-пьезоэлектрической структуре / Д. А. Филиппов, В. М. Лалетин, Н. Н. Поддубная [и др.] // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 3-1 (105). С. 6–12. https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.1053.001Filippov D. A., Laletin V. M., Poddubnaya N. N. Nizkochastotnyi magnitoelektricheskii effekt v dvukhsloinoi magnitostriktsionno-p'ezoelektricheskoi strukture [Low-frequency magnetoelectric effect in a two-layer magnetostrictive piezoelectric structure]. Mezhdunarodnyi nauchno-issledovatel'skii zhurnal = International Scientific Research Journal, 2021, no. 3-1 (105), pp. 6-12. https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.1053.001Material constants of barium titanate thin films / V. B. Shirokov, V. Kalinchuk, R. A. Shakhovoi, Yu. I. Yuryuk // Physics of the solid state. 2015. Vol. 57, no. 8. P. 1535–1540. https://doi.org/10.1134/S106378341508.0302Shirokov V. B., Kalinchuk V., Shakhovoy R. A., Yuryuk Yu. I. Material constants of barium titanate thin films. Physics of the Solid State, 2015, vol. 57, no. 8, pp. 1535–1540. https://doi.org/10.1134/S106378341508.0302Budiawanti S., Soegijono B., Mudzakir I. Influence of layer number and sintering on ferroelectric behaviour of barium titanate films prepared with solgel method // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2018. Vol. 985, no. 1. P. 012034.Budiavanti S., Soejijono B., Mudzakir I. Influence of layer number and sintering on ferroelectric behaviour of barium titanate films prepared with sol-gel method. Physical Journal: A series of conferences. IOP Publishing, 2018, vol. 985, no. 1, p. 012034.Structural and electrical properties of barium titanate (BaTiO3) thin films obtained by spray pyrolysis method / S. S. Kumbhar, M. Mahadik, P. K. Chougule [et al.] // Materials Science Poland. 2015. Vol. 33, no. 4. P. 852–861. https://doi.org/10.1515/msp-2015-0107Kumbhar S. S., Mahadik M., Chugule P. K., eds. Structural and electrical properties of barium titanate (BaTiO3) thin films obtained by spray pyrolysis method. Materials SciencePoland, 2015, vol. 33, no. 4, pp. 852–861. https://doi.org/10.1515/msp-2015-0107Эволюция структурных и магнитотранспортных свойств пленок магнетита в зависимости от температуры их синтеза на поверхности SiO 2/Si (001) / В. В. Балашев, В. А. Викулов, А. А. Дмитров [и др.] // Физика металлов и металловедение. 2017. Т. 118, № 7. С. 679–685. https://doi.org/10.7868/S0015323017050023Balashev V. V., Vikulov V. A., Dmitrov A. A., eds. Evolyutsiya strukturnykh i magnitotransportnykh svoistv plenok magnetita v zavisimosti ot temperatury ikh sinteza na poverkhnosti SiO2/Si (001) [Evolution and structural magnetotransport properties of magnetite films depending on the temperature of their synthesis on the surface of SiO2/Si (001)]. Fizika metallov i metallovedenie = Physics of Metals and Metallology, 2017, vol. 118, no. 7, pp. 679–685. https://doi.org/10.7868/S0015323017050023Epitaxial Fe3O4 films grown on R-plane sapphire by pulsed laser deposition / I. V. Malikov, V. A. Bererin, L. Fomin, A. V. Chernykh // Inorganic Materials. 2020. Vol. 56, no. 2. P. 164–171. https://doi.org/10.1134/S0020168520020120Malikov I. V., Bererin V. A., Fomin L., Chernykh A. V. Epitaxial Fe3O4 films grown on R-plane sapphire by pulsed laser deposition. Inorganic materials, 2020, vol. 56, no. 2, pp. 164–171. https://doi.org/10.1134/S0020168520020120Kuzmenko A. P., Chukhaeva I. V., Abakumov P. V. Features of the formation and structure of barium titanate langmuir films // Technical Physics. 2019. Vol. 64, no. 8. P. 1168– 1177.Kuzmenko A. P., Chukhaeva I. V., Abakumov P. V. Features of the formation and Structure of Barium Titanate Langmuir Films [Features of the formation and structure of Barium titanate langmuir films]. Technical Physics = Technical physics, 2019, vol. 64, no. 8, pp. 1168–1177.Кузьменко А. П., Чухаева И. В., Абакумов П. В. Электрические свойства пленок Ленгмюра – Блоджетт стабилизированного титаната бария // Научные тенденции: Вопросы точных и технических наук: сборник научных трудов по материалам XI Международной научной конференции. СПб.: Общественная наука, 2017. С. 9–12.Kuzmenko A. P., Chukhaeva I. V., Abakumov P. V. [Electrical properties of Langmuir – Blodgett films of stabilized barium titanate]. Nauchnye tendentsii: Voprosy tochnykh i tekhnicheskikh nauk. Sbornik nauchnykh trudov po materialam XI Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii [Scientific trends: Issues of exact and technical sciences. Collection of scientific papers based on the materials of the XI International Scientific Conference]. St. Petersburg, Obshchestvennaya nauka Publ., 2017, pp. 9–12. (In Russ.)Stain-induced magnetoelectric coupling in BaTiO3/Fe3O4 core/shell nanoparticles / Y. S. Koo, K. M. Song, N. Hur, J. Y. Jung // Applied Physics Letters. 2009. Vol. 94. P. 032903–1 – 032903-3. https://doi.org/10.1063/1.3073751Koo Yu. S., K. M. Song, Hur N., Jung J. Y. Stain-induced magnetoelectric coupling in BaTiO3/Fe3O4 core/shell nanoparticles. Applied Physics Letters, 2009, vol. 94, pp. 032903-1 – 032903-3. https://doi.org/10.1063/1.3073751

The authors declare that there are no conflicts of interest present.