Influenta structurii asupra cuplajului magnetoelectric in compozite SrFe12O19 – BNT-BT


Project Director: Dr. Simona Greculeasa

Acronim: StructMagnetoelComp

Cod Proiect: PN-III-P1-1.1.-PD-2019-0724

Numar contract: PD 130/2020

Director de Proiect: Dr. Simona Gabriela Greculeasa

Mentor: Dr. Valentin Serban Teodorescu

Tipul Proiectului: National

Programul de incadrare al Proiectului:

Program 2 –Cresterea competitivitatii economiei romanesti prin cercetare,dezvoltare si inovare. Subprogramul 2.1 - Competitivitate prin cercetare, dezvoltare si inovare, Proiect experimental-demonstrativ

Finantat de: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii, UEFISCDI

Contractor: Institutul National C-D pentru Fizica Materialelor

Status: In desfasurare

Data Inceperii:18 august 2020

Data Finalizarii: 17 decembrie 2021

Rezumatul Proiectului:

Compozitele bazate pe hexaferite de tip M si feroelectrici fara plumb sunt in atentia comunitatii stintifice, fiind heterostructuri multiferoice promitatoare. Astfel, acest proiect propune o analiza complexa a unui compozit format din SrFe12O19 si (Bi1/2Na1/2)TiO3-BaTiO3 (BNT-BT) pentru a oferi o mai buna cunoastere a legaturii dintre aspectele structurale si proprietatile magnetoelectrice. Pulberile de hexaferite de Sr si BNT-BT vor fi preparate prin metoda sol-gel si procesate ulterior prin metoda SPS. Morfologia si structura vor fi investigate prin difractie de raze X (rafinare Rietveld) si microscopie electronica (SEM, TEM), in timp ce proprietatile electrice si magnetice globale vor fi studiate prin metoda ferrotester si magnetometrie (SQUID). Structura locala va fi analizata in detaliu prin spectroscopie Mössbauer 57Fe. Cuplajul magnetoelectric direct va fi investigat in cazul compozitului multiferoic prin tehnica lock-in.

Director de proiect: Greculeasa Simona-Gabriela

Mentor: Teodorescu Valentin Serban

Etapa I -Raportul știintific și tehnic

 

În cadrul prezentului raport au fost investigate compozite bazate pe hexaferită de stronțiu (SrFe12O19, SFO) și titanat de bismut sodiu – titanat de bariu (0.92(Bi0.5Na0.5TiO3) – 0.08 (BaTiO3), BNT-BT). Probele au fost preparate prin sol-gel (metoda citraților), variind cantitatea de BNT-BT cu x = 0 (S1), 0.2 (S2), 0.5 (S3), 0.8 (S4), 1 (S5). Investigațiile structurale, morfologice și de structură locală au fost realizate prin difracție de raze X (XRD), microscopie electronică (SEM-EDS, HR-TEM) și spectroscopie Mössbauer.

În figura 1 sunt prezentate imaginile de difracție ale compozitelor, iar rafinarea Rietveld a fost realizată prin intermediul programului MAUD [1]. Fazele majoritare sunt cele propuse, respectiv structura hexagonală de magnetoplumbit SFO (grupul spațial P63/mmc; a=5.886 Å, c=23.066 Å) și structura trigonală de tip perovskit BNT (grupul spațial R3c:H; a=5.46 Å; c=3.915 Å). Contribuția BaTiO3 este considerabil redusă, însă lărgirea liniilor de difracție indică difuzia titanatului de Ba în rețeaua titanatului de Bi-Na pentru a forma o soluție solidă. Este prezentă și o fază secundară de α-Fe2O3, hematită, cu structura trigonală (grupul spațial R-3c:R; a=5.426 Å; α=54.587), în special în cazul probelor S3 și S4.

 

Figura 1 Figurile XRD pentru probele: S1-S5 (a).

Fig 1

 

Figura 2. Imaginile SEM de electroni secundari (SE) ale probelor S1 (a,b), S2 (c,d) și S5 (e,f) la diferite măriri: 5k (stânga) și 40k (dreapta).

Fig 2

 

În figurile 2 și 3 sunt prezentate imaginile de microscopie electronică de baleiaj, precum și cartograma elementală (obținută din EDS) pentru compozite. În cazul probei SFO (S1), se observă o morfologie neregulată și o textură rugoasă. Proba S2, compozitul cu x=0.2, are morfologie mult mai aranjată, de tip prismă hexagonală. Proba PMN-PT (S5) are textură spongioasă.

 

Figura 3. (a) Imaginea SEM-SE și cartograma elementală (b) ale probei S1. (c) Imaginea SEM-SE și cartograma elementală (d) ale probei S2. Imaginea SEM-SE (e) și cartograma elementală Bi (f), Na (g), Ti (h) și O (i) ale probei S5.

Fig 3

 

Figura 4. Proba S2: imagine HR-TEM (a), imagine TEM a unei particule SFO (b) și difractograma SAED corespunzătoare (c). Imagine TEM-BF (d) cu cartograma elementală (EELS) pentru Fe (e), O (f) și Sr (g).

Fig 4

 

În cazul microscopiei electronice prin transmisie, proba S2 a fost investigată atât în condiții de contrast de difracție (TEM, SAED), cât și contrast de fază (HR-TEM). De asemenea, a fost realizată cartograma elementală obținută din spectrul EEL. În imaginea HR-TEM este evidențiată prezența fazei secundare de hematită, α-Fe2O3. Din difractograma SAED și din cartograma elementală (EEL) este evidențiată formarea fazei hexagonale SFO, fără să se identifice prezența fazei feroelectrice BNT-BT. Cu toate acestea, prezența ambelor faze este susținută prin analizele XRD și EDS.

Configurația locală în componenta magnetică a fost determinată cu ajutorul spectroscopiei Mössbauer. Spectrele probelor S2 și S3 sunt prezentate în figura 5, iar parametrii hiperfini, precum și aria relativă a subrețetelor, sunt prezentați în tabelul 1.

 

Figura 5. Spectrele Mössbauer ale compozitelor: S2 (stanga) și S3 (dreapta).

Fig 5

 

Tabel 1. Caracteristicile principale și parametrii hiperfini ai compozitelor: lărgimea liniei (Γ), deplasarea izomeră (IS), despicarea cuadrupolară (QS), câmpul magnetic hiperfin (Bhf) și aria relativă a componentelor (RA).

ProbăFazăComponentăOrientareCoordinațieΓ (mm/s)IS (mm/s)QS (mm/s)Bhf (T)RA (%)
S2SFO4f2octaedrică0.370.380.2752.413
2aoctaedrică0.340.330.1551.013
4f1tetraedrică0.380.270.249.118
12koctaedrică0.540.340.3942.051
2bcvintuplă0.30.222.1140.75
S3SFO4f2octaedrică0.270.4-0.0753.89
2aoctaedrică0.290.38-0.1852.226
4f1tetraedrică0.60.340.1849.626
12koctaedrică0.760.350.414233
2bcvintuplă0.30.642.840.43
α-Fe2O3SP--0.40.290.5-3

Hexaferita de stronțiu este un ferimagnet cu stuctura magnetoplumbitului, iar proprietățile magnetice sunt date de interacția de superschimb (Fe3+–O–Fe3+). Sunt prezente cinci poziții cristalografice Wyckoff ale ionilor Fe3+, evidențiate în cele cinci subrețele magnetice de sextet din spectrele Mössbauer. Parametrii hiperfini prezentați în tabelul 1 sunt în concordanță cu alte studii [2-4]. Faza secundară de hematită a fost atribuită dubletului superparamagnetic (SP) central.

În concluzie, au fost preparate prin sol-gel compozite bazate pe SrFe12O19 - x BNT-BT (x=0; 0.2; 0.5; 0.8; 1). Structura compozitelor a fost probată prin difracție de raze X, confirmându-se prezența fazelor implicate. A fost determinată morfologia și structura prin microscopie electronică de baleiaj și transmisie. Structura locală a fost probată și prin spectroscopie Mössbauer și au fost evidențiate pozițiile diferite ale fierului în componenta magnetică.

 

Bibliografie

[1] L. Lutterotti, M. Bortolotti, G. Ischia, I. Lonardelli, H.-R. Wenk, Z. Kristallogr., Suppl. 26 (2007) 125-130.

[2] S.K. Chawla, P. Kaur, R.K. Mudsainiyan, S.S. Meena, S.M. Yusuf, Journal of Superconductivity and Novel Magnetism 28 (2015) 1589-1599.

[3] A. Vijayalakshmi, N.S. Gajbhiye, Journal of Applied Physics 83 (1998) 400.

[4] B.J. Evans, F. Grandjean, A.P. Lilot, R.H. Vogel, A. Gerard, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 67 (1987) 123-129.


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

Copyright © 2021 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved