МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УЧРЕЖДЕНИЕОБРАЗОВАНИЯ
«БРЕСТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТИМЕНИА. С. ПУШКИНА»
КУРСОВАЯ РАБОТА
по общей физике
Магнитные свойства BiFeO3
Выполнила студентка
Физико-математического факультета
ФИ-31
Калихович Дарья Валерьевна
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук,
доцент
Макоед Игорь Иванович
Брест 2015
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. Структура BiFeO3
1.1. Кристаллическая структура BiFeO3
1.2. Основные магнитные характеристики ферромагнитных материалов
2. Магнитные свойства
2.1.
2.2.
2.3. Эксперимент
3. Применение
4. Заключение
Список литературы
Введение
Мультиферроики – класс кристаллических твердых тел, в которых
сосуществуют хотя бы два из трех параметров порядка: магнитного, электрического или механического. Феррит висмута BiFeO3 является наиболее широко изученным представителем этого класса соединений. В качестве объектов исследования в настоящей работе были выбраны перовскитоподобныевисмутсодержащие соединения систем RExBi1-xFeO3 (R= Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; x=0.05, 0.10, 0.15, 0.20). Выбор в качестве объекта исследования феррита висмута обусловлен тем, что данное соединение является наиболее изученным в экспериментальном и теоретическом отношениях. Это допускает возможность использования BiFeO3 в качестве объекта для разработки новых подходов. Соединения RExBi1-xFeO3 (R= Ce, Pr, Sm, Eu, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; x=0.05, 0.10, 0.15, 0.20) интересны тем, что их электрические и магнитные свойства существенно зависят от сорта и концентрации допирующих ионов.
История
В 1960-х годах практически одновременно двумя группами ученых: во главе с Г.А. Смоленским, Г.С. Ждановым и Ю.Н. Веневцевым с сотрудниками были обнаружены материалы с сосуществованием электрического и магнитного упорядочения, позже названные мультиферроиками. Интерес к данным материалам обусловлен как фундаментально научными причинами, так и возможным практическим применением. Наличие связи магнитной и электрической подсистем в мультиферроиках в идеале предоставляет возможность с помощью электрического поля управлять магнитными свойствами материала и, наоборот, осуществлять модуляцию электрических свойств магнитным полем. С точки зрения электроники подобные свойства давали бы возможность создания устройств, преобразующих информацию в форме намагниченности в электрическое напряжение и обратно. Однако до начала 21 века материалы, в которых подсистемы с электрическим и магнитным упорядочением сильно взаимодействуют, друг с другом, обнаружены не были.Ситуация меняется в 2003 году в результате открытия нового класса мультиферроиков, в которых электрическая поляризация создается непосредственно магнитным упорядочением. В том же году удается в тонкопленочном виде синтезировать феррит висмута BiFeO3, единственный из известных мультиферроиков, обладающий магнитным и электрическим упорядочением при комнатной температуре.
1.Структура BiFeO3
1.1.Кристаллическая структура BiFeo3
В последние годы резко возобновился интерес к ферриту висмута
BiFeO3, наиболее часто используемому в качестве основы для создания
магнито-электрических материалов. Для объяснения многих необычных
свойств этого соединения необходимы прецизионные данные о
кристаллической структуре. Однако, несмотря на то, что феррит висмута
впервые был получен в 1957 г., и в 60-е годы выполнено достаточно
много работ, посвященных поиску условий получения кристаллов BiFeO3, до сих пор большинство исследований физических свойств этого соединения проводится на поликристаллических керамических образцах. В то же время существует достаточно единодушное мнение о невозможности получения однофазного соединения BiFeO3 методом твердофазного синтеза в системе Bi2O3 - Fe2O3. Структурные исследования также проводились в основном на
порошковых образцах методом полнопрофильного анализа. Работы по
определению структуры монокристаллов немногочисленны. Данные соединения – непростой объект для выращивания кристаллов. Вследствие инконгруэнтного плавления для их выращивания используют метод раствор-расплавной кристаллизации. В основном описаны небольшие (менее 1 мм) дендритные кристаллы. Трудности, возникающие при росте кристаллов, и пути их преодоления изложены в работе, авторам которой удалось получить довольно крупные кристаллы BiFeO3 в системе Bi2O3 - Fe2O3 – NaCl.
В настоящей работе представлены результаты по выращиванию
кристаллов BiFeO3 без введения в систему NaCl и уточнению их структурных параметров. Кристаллы выращены спонтанной кристаллизацией из нестехиометрического расплава (1-x)Bi2O3 –xFe2O3 (x = 0.15, 0.18, 0.20,
0.25). Проведение процесса из расплава состава 0.75 Bi2O3 - 0.25 Fe2O3 в
алундовом тигле привело к образованию кристаллов фазы Bi2Fe4-xAlxO9 и
небольшого количества фазы BiFeO3, также содержащей Al. Для исключения примеси алюминия была проведена замена алундового тигля на платиновый. В результате уменьшения содержания Fe2O3 в системе достигнуто образование кристаллов BiFeO3 как основного продукта кристаллизации. Лучшие результаты получены в следующих условиях: состав исходной смеси 0.82 Bi2O3 - 0.18 Fe2O3; температурно-временной 212 режим – нагрев до 930 С со скоростью 50 град/час, изотермическая выдержка 5 час, охлаждение до 850 С со скоростью 10 град/час, далее до 820 С со скоростью 0.5 град/час. С целью локализации центров кристаллизации в расплав вводилось кольцо из платиновой проволоки сечением 1 мм. При 820 С кольцо с образовавшимися кристаллами приподнимали над расплавом, печь выключали. Выросшие в таких условиях кристаллы имели черный цвет, кубический габитус и размеры 1-3 мм (рис.).
Вид кристалловBiFeO3. Полость в нижней части левого кристалла– место
крепления его кPt-проволоке.
Вид кристаллов BiFeO3. Полость в нижней части левого кристалла – местокрепления его к Pt-проволоке. Предварительная характеризация проведена методами рентгенографии (Philips PW-1700, СuKα) оптической микроскопии (Olimpus BX60) и сканирующей электронной микроскопии (JeolJSM6700F), подтвердившими соответствие полученных кристаллов фазе
BiFeO3. Для структурного исследования (автоматический дифрактометр
Bruker-Nonius X8APEX с двухкоординатным CCD детектором, МоKα-
излучение (λ = 0,71073 Å), графитовый монохроматор, θmax = 36,27) был отобран кристаллик размерами 0,10×0,10×0,20 мм3. Полученный массив
экспериментальных данных (635 измеренных отражений) обработан в
гексагональной установке тригонально-ромбоэдрической пространственной группы R3-mH и элементарной ячейке с параметрами а = 5.5809, с = 6.9362 Å. Получено 196 независимых отражений, все наблюдаемые. Как показывает анализ систематических погасаний, возможны пять пространственных групп: R-3, R3, R3m, R32 и R-3m. С учетом литературных данных о физических свойствах соединений проанализированы теоретические возможности реализации симметрии. С этой позиции представляются нецелесообразной реализация пространственных групп, содержащих центры инверсии. Для
подтверждения этого уточнение позиционных и тепловых параметров
проведено для всех ацентричных пространственных групп. Уточнение
213 проводилось в 3 этапа: сначала тяжелые атомы, затем выявление позиций
кислорода из разностного синтеза и варианты уточнения по всем атомам.
При уточнении структуры в пр. гр. R32 получено самое низкое значение R-
фактора 0.0283 (154 Fhkl > 4σ). При построении разностного синтеза выявлены два независимых пика для позиции атома кислорода, которые при размножении элементами симметрии оказываются связанными псевдозеркальной плоскостью m, что указывает на существование Fe-октаэдров двух ориентаций, возникающих либо на основе статистического распределения блоков с разной ориентацией октаэдров, либо псевдомероэдрическим двойникованием.