Структура и свойства мультиферроидальных ленгмюровских пленок на основе наночастиц титаната бария и магнетита

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. 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. 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. 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.

1. Прямой 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.2021.12.51673.185

2. The 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/c3nr01011b

3. The 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.14362

4. Switching 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/10.1063/1.4906322

5. Electric 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.

6. 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. 00046

7. 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.2018.01.038273

8. Spaldin N. A., Ramesh R. Advances in magnetoelectric multiferroics // Nature materials. 2019. Vol. 18, no. 3. P. 203–212.

9. 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.

10. 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.2021.127837

11. Филиппов 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.

12. 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.2021.1053.001

13. Material 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/S106378341508.0302

14. Budiawanti 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.

15. 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-2015-0107

16. Эволюция 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/S0015323017050023

17. Epitaxial 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/S0020168520020120

18. Kuzmenko 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.

19. 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.

20. 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/10.1063/1.3073751