Σύνθεση και Χαρακτηρισμός πολυσιδηροϊκών νανοσωματιδίων
Creators: name: Παπαδόπουλος, Κύριλλος Νικολάου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2020
Subjects: Πολυσιδηροϊκά νανοσωματίδια
Μαγνητοηλεκτρικό
Σιδηροηλεκτρικό
Multiferroic nanoparticles
Magnetoelectric
Ferroelectric

description: Τα τελευταία χρόνια έχει δοθεί μεγάλη προσοχή στα πολυσιδηροϊκά υλικά, λόγω των συναρπαστικών εφαρμογών τους σε νέες ηλεκτρονικές συσκευές. Εμφανίζουν ισχυρή σύζευξη μεταξύ ηλεκτρικών, μαγνητικών και δομικών παραμέτρων τάξης, με αποτέλεσμα να συνυπάρχουν στην ίδια φάση ο (αντι)σιδηρομαγνητισμός, o σιδηροηλεκτρισμός και/ή η σιδηροελαστικότητα. Τα πολυσιδηροϊκά μαγνητοηλεκτρικά υλικά εμφανίζουν ταυτόχρονα μαγνήτιση και διηλεκτρική πόλωση, οι οποίες μπορούν να ενεργοποιηθούν και να διαμορφωθούν μέσω ενός ηλεκτρικού και ενός μαγνητικού πεδίου αντίστοιχα. Μεταξύ των πολυσιδηροϊκών υλικών, το BiFeO3 (BFO) λαμβάνει αξιοσημείωτη προσοχή, λόγω των πιθανών βιομηχανικών εφαρμογών του (σπιντρονική, μικροηλεκτρονική αποθήκευσης δεδομένων κ.ά.), καθώς και εξαιτίας της συναρπαστικής φυσικής που βρίσκεται πίσω από τις ιδιότητές του. Το BFO έχει ρομβοεδρικά παραμορφωμένη δομή περοβσκίτη με ομάδα συμμετρίας χώρου R3c. Σε συμπαγή μορφή είναι ένα πολυσιδηροϊκό αντισιδηρομαγνητικό, σιδηροηλεκτρικό και σιδηροελαστικό υλικό με ηλεκτρικές, μαγνητικές και δομικές θερμοκρασίες διάταξης που βρίσκονται πολύ υψηλότερα από τη θερμοκρασία δωματίου. Ο σιδηροηλεκτρισμός του BFO προέρχεται από τη δομική παραμόρφωση που προκαλείται από το 6s2 μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων των ιόντων Bi3+, ενώ ο αντισιδηρομαγνητισμός (τύπου-G) οφείλεται στη σπειροειδή διαμόρφωση του spin, η οποία σχηματίζεται από ιόντα Fe3+. Η συνδυασμένη δράση της αλληλεπίδρασης ανταλλαγής και της αλληλεπίδρασης σπιν – τροχιάς επιφέρει τη διευθέτηση των σπιν, η οποία απέχει από την τέλεια αντισιδηρομαγνητική τάξη. Η κατεύθυνση της προκύπτουσας μικρής ροπής περιστρέφεται, επιβάλλοντας την προαναφερθείσα σπειροειδή διευθέτηση με περίοδο διαμόρφωσης ~62nm. Μία τέτοια δομή των σπιν θα ακύρωνε πρακτικά την καθαρή μαγνήτιση του bulk BiFeO3 και θα εμπόδιζε την παρατήρηση του γραμμικού μαγνητοηλεκτρικού φαινομένου. Επιπλέον, η παρουσία του δισθενούς σιδήρου (Fe2+) καθώς και η πτητικότητα του βισμουθίου σχετίζονται με τη δημιουργία κενών πλεγματικών θέσεων οξυγόνου στη δομή του BFO και με μεγάλα ρεύματα διαρροής, τα οποία περιορίζουν τις πρακτικές εφαρμογές του υλικού. Τέλος, κατά τη διαδικασία της σύνθεσης των νανοσωματιδίων BFO, η εμφάνιση ανεπιθύμητων φάσεων όπως Bi2Fe4O9 και Bi25FeO39 είναι δύσκολο να αποφευχθεί, εξαιτίας της πτητικότητας ορισμένων αντιδραστηρίων και της αποδόμησης του BFO σε υψηλές θερμοκρασίες. Στην παρούσα μελέτη προτείνεται η μέθοδος της υδατικής συγκαταβύθισης για τη σύνθεση καθαρών μονοφασικών νανοσωματιδίων BiFeO3, με διαφορετικές μοριακές αναλογίες Fe/Bi και σε διαφορετικές θερμοκρασίες ανόπτησης. Τα δομικά χαρακτηριστικά, οι συστάσεις των φάσεων, οι μαγνητικές μετρήσεις και η ανάλυση εμπέδησης των δειγμάτων BFO θα μελετηθούν μέσω μίας πληθώρας τεχνικών, όπως είναι η περίθλαση ακτίνων-Χ (XRD), η φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-IR), η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) μαζί με στοιχειακή ανάλυση EDX, η φασματοσκοπία Mössbauer, η μαγνητομετρία δονούμενου δείγματος (VSM), η μαγνητική υπερθερμία και η φασματοσκοπία εμπέδησης. Στόχος της εργασίας είναι η σύνθεση νανοσωματιδίων BFO με ενισχυμένα μαγνητικά χαρακτηριστικά, λόγω της καταστολής της σπειροειδούς διαμόρφωσης σπιν, που συμβαίνει σε νανοσωματίδια διαμέτρου &lt;60nm, καθώς και με βελτιωμένες διηλεκτρικές ιδιότητες με μικρότερα ρεύματα διαρροής, εξαιτίας της καταστολής των ανεπιθύμητων φάσεων και των κενών πλεγματικών θέσεων οξυγόνου..
description: In recent years, considerable attention has been drawn to multiferroic materials because of their fascinating applications in novel electronic devices. They exhibit strong coupling of electric, magnetic and structural order parameters, resulting in the coexistence of ferroelectricity, ferromagnetism and/or ferroelasticity in the same phase. Multiferroic magnetoelectrics maintain a magnetization and dielectric polarization, which can be activated and modulated by an electric field and magnetic field, respectively. Among the multiferroic materials, BiFeO3 (BFO) receives noticeable attention due to its potential applications (spintronics, data storage microelectronics, etc.) as well as due to the fascinating physics behind its properties. BFO has a rhombohedrally disorted pervoskite structure with space group R3c. In bulk form, it is an antiferromagnetic, ferroelectric and ferroelastic multiferroic material with electrical, magnetic, and structural ordering temperatures well above room temperature. The ferroelectricity of BFO originates from the structural distortion, induced by 6s2 lone pair (pair of valence electrons) of Bi3+ ions, while the G-type antiferromagnetism is owing to the spiral spin structure, formed by Fe3+ ions. The combined action of exchange and spin-orbit interactions, produces spin canting away from perfect antiferromagnetic ordering. The direction of the resulting small moment rotates superimposing the aforementioned spiral spin arrangement, with a modulation period of ~62nm. Such a spin structure may cancel its net magnetization in bulk and inhibit the observation of linear magnetoelectric (ME) effect. In addition, the existence of Fe2+ and the volatilization of Bi element would always create oxygen vacancies in BFO, and thereby result in a large leakage current, limiting its practical applications. Moreover, during the synthesis process, the emergence of impurity phases such as Bi2Fe4O9 and Bi25FeO39 is difficult to be avoided, due to the volatilization of some reactants and decomposition of BFO at high temperatures. In this study, a simple chemical co-precipitation method is proposed for the synthesis of pure single-phase BFO nanopowders with different Fe/Bi molar ratios and at multiple calcination temperatures. Structural characteristics, phase constitutions, magnetic measurements and impedance analysis of BFO were investigated by XRD, FT-IR, SEM-EDX, Mössbauer spectroscopy, VSM, Magnetic Hyperthermia and impedance spectroscopy. The main target is to produce BFO nanoparticles with enhanced magnetization due to the suppression of the known spiral spin structure and enhanced dielectric properties with smaller leakage currents due to the suppression of impurities and oxygen vacancies, compared with bulk BFO.