Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів із загальною формулою Pb(B′B′′)O₃
У рамках підходу Ландау—Гінзбурга—Девоншира проведено теоретичне моделювання магнітоелектричного ефекту в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів. Розглянуто феромагнітні сегнетоелектрики Pb(Fe₁/₂Ta₁/₂)x(Zr₁/₂Ti₁/₂)₁–xO₃ та Pb(Fe₁/₂Nb₁/₂)x(Zr₁/₂Ti₁/₂)1–xO₃, які мають ви со кі магнітоелект...
Saved in:
| Date: | 2017 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2017
|
| Series: | Доповіді НАН України |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129626 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів із загальною формулою Pb(B′B′′)O₃ / М.Д. Глинчук, Л.П. Юрченко // Доповіді Національної академії наук України. — 2017. — № 12. — С. 45-51. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-129626 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1296262025-02-09T14:07:24Z Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів із загальною формулою Pb(B′B′′)O₃ Большой магнитоэлектрический эффект при комнатной температуре в нанозеренных керамиках мультиферроиков-перовскитов с общей формулой Pb(B′B′′)O₃ High magnetoelectric effect at room temperature in nanograined ceramics of multiferroic-perovskites with general formula Pb(B′B′′)O₃ Глинчук, М.Д. Юрченко, Л.П. Матеріалознавство У рамках підходу Ландау—Гінзбурга—Девоншира проведено теоретичне моделювання магнітоелектричного ефекту в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів. Розглянуто феромагнітні сегнетоелектрики Pb(Fe₁/₂Ta₁/₂)x(Zr₁/₂Ti₁/₂)₁–xO₃ та Pb(Fe₁/₂Nb₁/₂)x(Zr₁/₂Ti₁/₂)1–xO₃, які мають ви со кі магнітоелектричні властивості при температурах вище 100 К, включаючи аномально великий маг нітоелектричний ефект при кімнатній температурі. Показано, що завдяки розмірним ефектам у нанокераміці можна збільшити коефіцієнт магнітоелектричного зв’язку на 1—3 порядки. В рамках подхода Ландау—Гинзбурга—Девоншира проведено теоретическое моделирование магнитоэлектрического эффекта в нанозеренных керамиках мультиферроиков-перовскитов. Рассмотрены ферромагнитные сегнетоэлектрики Pb(Fe₁/₂Ta₁/₂)x(Zr₁/₂Ti₁/₂)₁–xO₃ и Pb(Fe₁/₂Nb₁/₂)x(Zr₁/₂Ti₁/₂)1–xO₃, имеющие значительные магнитоэлектрические свойства при температурах выше 100 К, включая аномально большой магнитоэлектрический эффект при комнатной температуре. Показано, что благодаря размерным эффектам в нанокерамике возможно увеличить коэффициент магнитоэлектрической связи на 1—3 порядка. Using the Landau—Ginzburg—Devonshire approach, the theoretical modeling of the magnetoelectric effect in nanograined ceramics of multiferroic-perovskites is carried out. We consider ferromagnetic ferroelectrics Pb(Fe₁/₂Ta₁/₂)x(Zr₁/₂Ti₁/₂)₁–xO₃ and Pb(Fe₁/₂Nb₁/₂)x(Zr₁/₂Ti₁/₂)1–xO₃, which have pronounced magneto electric properties at temperatures higher than 100 K, including the high magnetoelectric effect at room temperature. It is shown that the coefficient of magnetoelectric effect can increase by 1–3 orders due to size effects in nanoceramics. 2017 Article Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів із загальною формулою Pb(B′B′′)O₃ / М.Д. Глинчук, Л.П. Юрченко // Доповіді Національної академії наук України. — 2017. — № 12. — С. 45-51. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. 1025-6415 DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2017.12.045 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129626 621 uk Доповіді НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Матеріалознавство Матеріалознавство |
| spellingShingle |
Матеріалознавство Матеріалознавство Глинчук, М.Д. Юрченко, Л.П. Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів із загальною формулою Pb(B′B′′)O₃ Доповіді НАН України |
| description |
У рамках підходу Ландау—Гінзбурга—Девоншира проведено теоретичне моделювання магнітоелектричного ефекту в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів. Розглянуто феромагнітні сегнетоелектрики Pb(Fe₁/₂Ta₁/₂)x(Zr₁/₂Ti₁/₂)₁–xO₃ та Pb(Fe₁/₂Nb₁/₂)x(Zr₁/₂Ti₁/₂)1–xO₃, які мають ви со кі магнітоелектричні властивості при температурах вище 100 К, включаючи аномально великий маг нітоелектричний
ефект при кімнатній температурі. Показано, що завдяки розмірним ефектам у нанокераміці можна збільшити коефіцієнт магнітоелектричного зв’язку на 1—3 порядки. |
| format |
Article |
| author |
Глинчук, М.Д. Юрченко, Л.П. |
| author_facet |
Глинчук, М.Д. Юрченко, Л.П. |
| author_sort |
Глинчук, М.Д. |
| title |
Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів із загальною формулою Pb(B′B′′)O₃ |
| title_short |
Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів із загальною формулою Pb(B′B′′)O₃ |
| title_full |
Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів із загальною формулою Pb(B′B′′)O₃ |
| title_fullStr |
Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів із загальною формулою Pb(B′B′′)O₃ |
| title_full_unstemmed |
Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів із загальною формулою Pb(B′B′′)O₃ |
| title_sort |
великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів із загальною формулою pb(b′b′′)o₃ |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2017 |
| topic_facet |
Матеріалознавство |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129626 |
| citation_txt |
Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів із загальною формулою Pb(B′B′′)O₃ / М.Д. Глинчук, Л.П. Юрченко // Доповіді Національної академії наук України. — 2017. — № 12. — С. 45-51. — Бібліогр.: 12 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT glinčukmd velikijmagnítoelektričnijefektprikímnatníjtemperaturívnanozerennihkeramíkahmulʹtiferoíkívperovsʹkítívízzagalʹnoûformuloûpbbbo3 AT ûrčenkolp velikijmagnítoelektričnijefektprikímnatníjtemperaturívnanozerennihkeramíkahmulʹtiferoíkívperovsʹkítívízzagalʹnoûformuloûpbbbo3 AT glinčukmd bolʹšojmagnitoélektričeskijéffektprikomnatnojtemperaturevnanozerennyhkeramikahmulʹtiferroikovperovskitovsobŝejformulojpbbbo3 AT ûrčenkolp bolʹšojmagnitoélektričeskijéffektprikomnatnojtemperaturevnanozerennyhkeramikahmulʹtiferroikovperovskitovsobŝejformulojpbbbo3 AT glinčukmd highmagnetoelectriceffectatroomtemperatureinnanograinedceramicsofmultiferroicperovskiteswithgeneralformulapbbbo3 AT ûrčenkolp highmagnetoelectriceffectatroomtemperatureinnanograinedceramicsofmultiferroicperovskiteswithgeneralformulapbbbo3 |
| first_indexed |
2025-11-26T15:23:14Z |
| last_indexed |
2025-11-26T15:23:14Z |
| _version_ |
1849866952589180928 |
| fulltext |
45ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 12
ОПОВІДІ
НАЦІОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМІЇ НАУК
УКРАЇНИ
МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО
Пошуки мультифероїків, які мають найвищі магнітоелектричні (МЕ) властивості при кім-
натній температурі, є актуальною проблемою у зв’язку зі створенням новітніх функціональ-
них матеріалів [1]. Для сучасних електронних приладів на базі фероїків значний МЕ зв'язок
при кімнатній температурі особливо важливий, але ще донедавна такі характеристики не
були виявлені навіть для гетероструктурних мультифероїків [2—4].
Найбільш перспективними виявилися нанозеренні кераміки твердих розчинів перов-
ськітів із загальною формулою Pb(B′B′′)O3. Відкриття однофазних магнітоелектриків, які
зберігають високі МЕ властивості при кімнатній температурі, на основі твердого розчину
сегнетоелектричних антиферомагнетиків Pb(Fe1/2Ta1/2)O3 (PFT) та Pb(Fe1/2Nb1/2)O3
(PFN) із Pb(Zr1/2Ti1/2)O3 (PZT) висвітлено в роботах [2—5].
У цій роботі розглянемо тверді розчини Pb(Fe1/2Ta1/2)x (Zr1/2Ti1/2)1 – xO3 (PFTxPZT1 – x)
та Pb(Fe1/2Nb1/2)x (Zr1/2Ti1/2)1 – xO3 (PFNxPZT1 – x) і коротко обговоримо їх властивості
при Т 100 K. PFN — це антиферомагнетик при температурах нижче температури Неєля,
TNeel = 143—170 K [6] і сегнетоелектрик при температурах, нижчих за температуру Кюрі,
© М.Д. Глинчук, Л.П. Юрченко, 2017
doi: https://doi.org/10.15407/dopovidi2017.12.045
УДК 621
М.Д. Глинчук, Л.П. Юрченко
Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ
E-mail: glin@ipms.kiev.ua
Великий магнітоелектричний ефект
при кімнатній температурі в нанозеренних
кераміках мультифероїків-перовськітів
із загальною формулою Pb(B′B′′)O3
Представлено членом-кореспондентом НАН України М.Д. Глинчук
У рамках підходу Ландау—Гінзбурга—Девоншира проведено теоретичне моделювання магнітоелектрич-
ного ефекту в нанозеренних кераміках мультифероїків-перовськітів. Розглянуто феромагнітні сегнето-
електрики Pb(Fe1/2Ta1/2)x(Zr1/2Ti1/2)1–xO3 та Pb(Fe1/2Nb1/2)x(Zr1/2Ti1/2)1–xO3, які мають ви со кі магніто-
електричні властивості при температурах вище 100 К, включаючи аномально великий маг нітоелектричний
ефект при кімнатній температурі. Показано, що завдяки розмірним ефектам у нанокераміці можна збіль-
шити коефіцієнт магнітоелектричного зв’язку на 1—3 порядки.
Ключові слова: нанозеренна кераміка, мультифероїки, магнітоелектричний ефект, моделювання влас-
тивостей.
46 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2017. № 12
М.Д. Глинчук, Л.П. Юрченко
TCurie = 379—393 K [6]. PFN має константу біквадратичного МЕ зв’язку 2,2 · 10–22 см/(В · А)
при 140 K [7]. PFT є антиферомагнетиком із температурою Неєля 133—180 K і сегнето-
електриком із фазовим переходом при температурі Кюрі, яка змінюється в інтервалі
247—256 K, залежно від чистоти зразків. Температура Кюрі слабко залежить від частоти
зовнішнього поля. PZT — це немагнітний, нормальний сегнетоелектрик із температурою
переходу Кюрі, що змінюється в інтервалі 666—690 K, залежно від технології приготування
зразка, та значним п’єзоелектричним ефектом.
Величезний ефективний ME коефіцієнт у наноструктурованому PFTx PZT1 – x, який сягає
1,3 · 10–7 с/м для x = 0,3 і 0,4, є нелінійним ефектом [3]. Набагато менше значення лінійного
ME коефіцієнта, 1,3 · 10–11 с/м, відповідає неструктурованому матеріалу або мікрокераміці [4].
Теоретично визначено [8], що високий лінійний коефіцієнт МЕ можливий завдяки роз-
мірному ефекту в нанорозмірних пластинах матеріалу PFT—PZT [2, 4]. Зокрема, показано,
що наноструктура цих керамік відіграє вирішальну роль у сильній МЕ взаємодії, а друга
компонента твердого розчину (PZT) індукує феромагнітну фазу шляхом зміни знака темпе-
ратури Кюрі магнітної підсистеми, що визначає поведінку магнітної сприйнят ливості при
T > TN. Теоретичний аналіз вищезгаданих властивостей мікрокераміки PFTxPZT1 – x та
PFNxPZT1 – x виявив аномальну залежність сегнетоелектричних та МЕ властивостей від
складу х [9].
Метою цієї роботи є теоретичне моделювання залежності МЕ ефекту в нанозеренних
кераміках мультифероїків-перовськітів від середнього розміру зерна. Використаний підхід
Ландау—Гінзбурга—Девоншира ґрунтується на наших попередніх роботах, в яких було по-
казано, що він здатний описати аномальні МЕ властивості нанокерамік різного хімічного
складу. Отримані результати висвітлили фізичні механізми аномалій властивостей і, таким
чином, відкрили шлях для створення нових мультифероїків з великим МЕ зв’язком при
кімнатній температурі.
Ефективний коефіцієнт ME зв’язку у твердих розчинах нанокерамік PZT—PFT і
PZT—PFN. Об’ємна густина вільної енергії Гіббса в рамках торії Ландау—Гінзбурга (Л—Г)
має вигляд [10]
PM P L M el MEG g g g g g= + + + + , (1а)
( )2 2 2
2 4
Pij eP
P i i j ij k lijklg P P P q u P P
βα
= + + , (1б)
( )2 2 2
2 4
Lij mL
L i i j ij k lijklg L L L q u L L
βα
= + + , (1в)
2 2 2 2
ijkl ijklmn ijklmn ijklmn
el ji kl ji kl m n ij kl m n ij kl m n
c A B C
g u u u u P P u u L L u u M M= + + + , (1г)
де gP — поляризаційна енергія; gL — антиферомагнітна енергія; gM — феромагнітна енергія;
gel — пружна енергія; P — поляризація; Li = (Mai – Mbi)/2 — компоненти вектора антиферо-
магнітного параметра порядку двох еквівалентних підґраток a та b; Mi = (Mai + Mbi)/2 — ком-
поненти вектора феромагнітного параметра порядку — намагніченості; uij — тензор пруж-
них деформацій; ( )e
ijklq , ( )l
ijklq і ( )m
ijklq — коефіцієнти електро- та магнітострикції; cijkl — компо-
ненти тензора пружних жорсткостей.
47ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 12
Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках...
Лінійний та біквадратичний внески у ME енергію мають такий вигляд:
2 2
FM AFM
ijkl ijkl
ME ij i j i j k l i j k lg M P M M P P L L P P
η η
= μ + + , (2)
μij— компоненти тензора білінійного ME зв’язку, FM
ijklη і AFM
ijklη — компоненти тензора біква-
дратичного ME зв’язку. Тензори FM
ijklη і AFM
ijklη , як було показано в роботі [11], містять електро-
та магнітострикційні внески:
2
1 2( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ( )) 1e m m m e eFM
ijkl ijkl mnsp ijsp ijspijmn ksn ksnspkl lpn lpn
R R
R q s q A g g B g g
R R
μ μ
⎛ ⎞⎛ ⎞
⎜ ⎟η = −η + − + + + ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
, (3)
2
1 2( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ( )) 1e l m m e eAFM
ijkl ijkl mnsp ijsp ijspijmn ksn ksnspkl lpn lpn
R R
R q s q C g g D g g
R R
μ μ
⎛ ⎞⎛ ⎞
⎜ ⎟η = η + − + + + ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
, (4)
де ηijkl — “істинний” тензор ME зв’язку; smnsp — пружна піддатливість; ( )e
ijkg і ( )m
ijkg —
тензо ри п’єзоелектричного та п’єзомагнітного ефектів відповідно. Оскільки стрикційний,
п’єзо електричний і п’єзомагнітний тензори сильно залежать від хімічного складу x,
коефіцієн ти ME зв’язку FM
ijklη та AFM
ijklη можуть істотно варіюватися для PFN і PFT. R — се-
редній ра діус зерна нанокераміки.
Характеристичні радіуси Rμ1 та Rμ2 виникають завдяки ефекту поверхневого натягу
(коефіцієнт поверхневого натягу μ). Залежно від технологічних умов значення Rμ1 та Rμ2
можуть змінюватися від кількох нанометрів до кількох сотень нанометрів і тому внесок
2
1 2( ) ( )R R R Rμ μ+ у рівняннях (3), (4) може збільшити коефіцієнт ME зв’язку в 10—103
разів для середнього розміру R ∝ 20—50 нм.
Коефіцієнт αР лінійно залежить від температури, 1C PY
P TY Y
R
T T
R
⎛ ⎞⎛ ⎞α = α − −⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
, де Y = “N”
чи “T”, C
YT — температури сегнетоелектричного переходу в однорідному об’ємі. Коефі ці єн ти
1Y LY
L LT N
R
T T
R
⎛ ⎞⎛ ⎞α = α − −⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
та 1Y MY
M MT C
R
T
R
⎛ ⎞⎛ ⎞α = α −θ −⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
. Температури Неєля ( Y
NT ) та
Кюрі ( Y
Cθ ) такі самі, як і для однорідного об’єму. Критичні розміри RPY, RLY і RMY виника-
ють з ефекту поверхневого натягу, зв’язаного з електрострикцією та магнітострикцією.
Критичні розміри можуть бути додатними або від’ємними залежно від форми нанообласті,
знаків тензорних коефіцієнтів електро- і магнітострикції і напряму поверхневого напру-
ження (стиснення чи розтягнення). Усі ці величини залежать від складу x твердих розчинів
PFNxPZT1 – x і PFTxPZT1 – x. Їх типові значення 1—10 нм.
Для оцінки коефіцієнта лінійного ME зв’язку в об’ємному однорідному матеріалі вра-
хуємо, що коефіцієнт МЕ білінійного зв’язку пропорційний ( ) ( )e m
ij jqs iqsg dμ ∝ , де ( )e
ijkg і ( )m
ijkd —
тензори п’єзоелектричного і п’єзомагнітного ефектів відповідно [11, 12]. Тому для оцінки
внеску п’єзоефекту в білінійний член зв’язку твердого розчину потрібно оцінити добуток
( ) ( )e m
jqs iqsg d . Відповідна спонтанна деформація ( ) ( ) ( )1m m m
ijps k l ijkl qij pskl qklu s q M M s d M−∝ ∝ , де sijkl —
компоненти тензора пружної піддатливості. Використовуючи значення sijkl ∝ 5 · 10–12 Па–1,
48 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2017. № 12
М.Д. Глинчук, Л.П. Юрченко
максимальний п’єзо елек трич ний
коефіцієнт, який відповідає мор-
фотропній границі Pb0,5Zr0,5TiO3,
( ) 0,1e
ijkg ∝ В · м/Н при кімнатній
температурі, і спонтанну намагніченість, M ~ 5 · 103 А/м та значення магнетострикційної
деформації, u(m) ∝ q (m)M2/s ∼ 10–6, розрахує мо, що d (m) ∝ u(m)/(sM) ∼ 102 Пa ⋅ м/A. Тому
g (e)d (m) ∼ 10 В/A і μij ∝ 10 В/A або 1,3 · 10–10 с/м. Це значення принаймні на три порядки
менше, ніж значення ефективно го ME коефіцієнта, α = 1,3 · 10–7 с/м, наведені в роботі [3]
для шаруватих наноструктур них матеріалів, у яких природа ME зв’язку виявляється не-
лінійною, а ефективний коефіцієнт МЕ зв’язку не за довольняє строге визначення лінійно-
го ME зв’язку. З іншого боку, для однофазних мультифероїків типовий коефіцієнт лінійно-
го ME зв’язку порядку 10–10 с/м, тоді як для гетероструктур його значення зростає з 10–6
до 10–8 с/м.
Оцінимо ефективний ME коефіцієнт для шаруватих наноструктурних матеріалів, вра-
ховуючи їх фероїчну нелінійність і розмірні ефекти. Для випадку руху сегнетоелектричних
доменних стінок у зовнішньому магнітному полі H має бути використаний більш складний
вираз для eff
ijα :
eff eff coer crit eff coer crit( ) ( ) ( ) ( )ij ij ijk kl l ijk kl l ijkl kn n lm mR R E R H R E Hα = α +β ε + γ χ +η ε χ . (5)
Тут об’ємна eff
klε — локальна діелектрична проникність; χkl — магнітна проникність; коефі-
цієнти ( ) 1ijk
R
R
R
μβ⎛ ⎞
β ∝ +⎜ ⎟
⎝ ⎠
, ( ) 1ijk
R
R
R
μγ⎛ ⎞
γ ∝ +⎜ ⎟
⎝ ⎠
і
2
1 2( ) 1ijkl
R R
R
R R
μ μ
⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟η ∝ + +⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
. Відповідно до
термодинамічної теорії локальна діелектрична проникність εeff в безпосередній близькості
від сегнетоелектричної доменної стінки може бути набагато вищою, ніж об’ємне значення
діелектричної проникності εij ∼ 1000.
Залежність квадратичного МЕ коефіцієнта αeff від середнього радіуса зерна R нано-
розмірних керамік PFTxPZT1 – x і PFNxPZT1 – x розрахована з рівняння (5) для х = 0,4 і на-
ведена на рисунку. Величина αeff нормована на об’ємне значення α. Критичне магнітне поле
crit
jH = 3 кЕ, коерцитивне електричне поле, “об’ємне” коерцитивне поле coer
iE = 15 кВ/см і
діелектрична проникність узяті з роботи [2] для x = 0,4. Усі інші матеріальні параметри
PFTxPZT1– x і PFNxPZT1– x наведені в роботах [8, 9]. З рисунка видно, що МЕ коефіцієнти
різко зростають (від 50 до 200) із зменшенням радіуса зерна менше 10 нм. Таким чином до-
сягається велике значення αeff∼ (10–8—10–7) с/м для наноструктурних ма теріалів на від-
міну від звичайного об'ємного значення α ~ (10–11—10–10) с/м.
Залежність квадратичного МЕ кое-
фіцієнта αeff від середнього розмі-
ру зерна R нанорозмірних керамік
PFTxPZT1 – x (а) і PFNxPZT1 – x (б),
розрахована з рівняння (5) для хі-
мічного складу х = 0,4 та різних ха-
рактеристичних радіусів (Rμ) — 10,
20, 50 і 100 нм
49ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 12
Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках...
Підведемо підсумки роботи. Нещодавно були виявлені феромагнітна і магнітоелек-
трична фази при кімнатних температурах із достатньо сильним лінійним і біквадратичним
ME зв’язками у твердих розчинах PFN—PZT і PFT—PZT [2—4]. Механізм цього явища
полягає в тому, що PZT має великі п’єзоелектричні коефіцієнти і сегнетоелектричну по ля-
ризацію, які посилюють лінійний і нелінійний ME зв’язок, біквадратичний ME зв’язок іс-
тотно підсилюється розмірними ефектами. Однак у чистих PFN і PFT, так само як і в зви-
чайному не нанорозмірному (PFN)x(PT)1 – x, внесок від біквадратичного ME зв'язку вияв-
ляється недостатнім для переходу у феромагнітний стан.
У випадку нанокерамік з твердих розчинів PFTxPZT1 – x та PFNxPZT1 – x їх високі (за
рахунок домішки PZT) п’єзо- і електрострикційні коефіцієнти, значення констант МЕ
зв’язку разом із достатньо великою поляризацією сприяють підтримці феромагнітної фази
навіть при кімнатних температурах. Нами показано, що теоретичний розгляд ефектів по-
верхневого натягу на границі нанорозмірного зерна в PFTxPZT1 – x і PFNxPZT1 – x дає мож-
ливість пояснити основні експериментальні результати, які спостерігав Eванс із співавт. [3]
і Санчес із співавт. [2]. А саме аномально великий ефективний коефіцієнт ME зв’язку eff
ijα
виникає в нанокераміці за рахунок розмірних та локальних ефектів, які спричиняють його
підвищення на 1—3 порядки порівняно зі звичайними кераміками. Тож існує реальна мож-
ливість збільшити величину eff
ij jiα α на 1—3 порядки завдяки розмірним ефектам і домен-
ній структурі. Таким чином, розглянута в роботі нанозеренна кераміка з розмірами зерен
20—50 нм завдяки великому МЕ ефекту при кімнатній температурі є дуже перспективною.
Отримані результати відкривають спосіб контролю властивостей наноматеріалу за до-
помогою вибору відповідного складу для створення новітніх нанозеренних керамік з вели-
ким МЕ ефектом при кімнатній температурі для нового покоління електронної техніки.
ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА
1. Scott J.F. Applications of magnetoelectrics. J. Mater. Chem. 2012. 22. P. 4567—4574. doi: https://doi.
org/10.1039/C2JM16137K
2. Sanchez D.A., Ortega N., Kumar A., Roque-Malherbe R., Polanco R., Scott J.F., Katiyar R.S. Symmetries
and multiferroic properties of novel room-temperature magnetoelectrics: Lead iron tantalate–lead zirconate
titanate (PFT/PZT). AIP Adv. 2011. 1. 042169. doi: https://doi.org/10.1063/1.3670361
3. Evans D.M., Schilling A., Kumar A., Sanchez D., Ortega N., Arredondo M., Katiyar R.S., Gregg J.M.,
Scott J.F. Magnetic switching of ferroelectric domains at room temperature in multiferroic PZTFT. Nat.
Commun. 2013. 4. 1534. doi: https://doi.org/10.1038/ncomms2548
4. Sanchez D.A., Ortega N., Kumar A., Sreenivasulu G., Katiyar R.S., Scott J.F., Evans D.M., Arredondo-
Arechavala M., Schilling A., Gregg J.M. Room-temperature single phase multiferroic magnetoelectrics:
Pb(Fe,M)x (Zr,Ti)(1 – x)O3 [M = Ta, Nb]. J. Appl. Phys. 2013. 113. 074105. doi: https://doi.org/10.1063/
1.4790317
5. Evans D.M., Schilling A., Kumar A., Sanchez D., Ortega N., Katiyar R.S., Scott J.F., Gregg J.M. Switching
ferroelectric domain configurations using both electric and magnetic fields in Pb(Zr, Ti)O3—Pb(Fe, Ta)O3
single-crystal lamellae. Phil. Trans. R. Soc. A. 2014. 372. 20120450. doi: https://doi.org/10.1098/rsta. 2012. 0450
6. Mishra R.K., Choudhary R.N.P., Banerjee A. Bulk permittivity, low frequency relaxation and the magnetic
properties of Pb(Fe1/2Nb1/2)O3 ceramics. J. Phys.: Condens. Matter. 2010. 22, Iss. 2. 025901. doi: https://doi.
org/10.1088/0953-8984/22/2/025901
7. Kleemann W., Shvartsman V.V., Borisov P., Kania A. Coexistence of antiferromagnetic and spin cluster glass
order in the magnetoelectric relaxor multiferroic PbFe0.5Nb0.5O3. Phys. Rev. Lett. 2010. 105, Iss. 25. 257202.
doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.257202
50 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2017. № 12
М.Д. Глинчук, Л.П. Юрченко
8. Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Morozovska A.N. New room temperature multiferroics on the base of single-
phase nanostructured perovskites. J. Appl. Phys. 2014. 116. 054101. doi: https://doi.org/10.1063/1.4891459
9. Glinchuk M.D., Eliseev E.A., Morozovska A.N. Theoretical description of anomalous properties of novel
room temperature multiferroics Pb(Fe1/2Ta1/2)x(Zr0.53Ti0.47)1 – xO3 and Pb(Fe1/2Nb1/2)x(Zr0.53Ti0.47)1 – xO3.
J. Appl. Phys. 2016. 119. 024102. doi: https://doi.org/10.1063/1.4939584
10. Glinchuk M.D., Morozovska A.N., Eliseev E.A., Blinc R. Misfit strain induced magnetoelectric coupling in
thin ferroic films. J. Appl. Phys. 2009. 105. 084108. doi: https://doi.org/10.1063/1.3108483
11. Glinchuk M. D., Eliseev E.A., Morozovska A.N., Blinc R. Giant magnetic effect induced by intrinsic surface
stress in ferroic nanorods. Phys. Rev. B. 2008. 77. 024106. doi: https://doi.org/10.1103/Phys Rev B.77. 024106
12. Eliseev E.A., Glinchuk M.D., Khist V., Skorokhod V.V., Blinc R., Morozovska A.N. Linear magnetoelectric
coupling and ferroelectricity induced by the flexomagnetic effect in ferroics. Phys. Rev. B. 2011. 84. 174112.
doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.174112
Надійшло до редакції 27.09.2017
REFERENCES
1. Scott, J. F. (2012). Applications of magnetoelectrics. J. Mater. Chem., 22, pp. 4567-4574. doi: https://doi.
org/10.1039/C2JM16137K
2. Sanchez, D. A., Ortega, N., Kumar, A., Roque-Malherbe, R., Polanco, R., Scott, J. F. & Katiyar, R. S. (2011).
Symmetries and multiferroic properties of novel room-temperature magnetoelectrics: Lead iron tantalate–
lead zirconate titanate (PFT/PZT). AIP Adv., 1, 042169. doi: https://doi.org/10.1063/1.3670361
3. Evans, D. M., Schilling, A., Kumar, A., Sanchez, D., Ortega, N., Arredondo, M., Katiyar, R. S., Gregg, J. M. &
Scott, J. F. (2013). Magnetic switching of ferroelectric domains at room temperature in multiferroic PZTFT.
Nat. Commun., 4, 1534. doi: https://doi.org/10.1038/ncomms2548
4. Sanchez, D. A., Ortega, N., Kumar, A., Sreenivasulu, G., Katiyar, R. S., Scott, J. F., Evans, D. M., Arredondo-
Arechavala, M., Schilling, A. & Gregg, J. M. (2013). Room-temperature single phase multiferroic magneto-
electrics: Pb(Fe,M)x(Zr,Ti)(1 – x)O3 [M = Ta, Nb]. J. Appl. Phys., 113, 074105. doi: https://doi.org/ 10.1063/
1.4790317
5. Evans, D. M., Schilling, A., Kumar, A., Sanchez, D., Ortega, N., Katiyar, R. S., Scott, J. F. & Gregg, J. M. (2014).
Switching ferroelectric domain configurations using both electric and magnetic fields in Pb(Zr,Ti)O3–
Pb(Fe,Ta)O3 single-crystal lamellae. Phil. Trans. R. Soc. A, 372, 20120450. doi: https://doi.org/10.1098/
rsta.2012.0450
6. Mishra, R. K., Choudhary, R. N. P. & Banerjee, A. (2010). Bulk permittivity, low frequency relaxation and the
magnetic properties of Pb(Fe1/2Nb1/2)O3 ceramics. J. Phys.: Condens. Matter., 22, Iss. 2, 025901. doi: https://
doi.org/10.1088/0953-8984/22/2/025901
7. Kleemann, W., Shvartsman, V. V., Borisov, P. & Kania, A. (2010). Coexistence of antiferromagnetic and spin
cluster glass order in the magnetoelectric relaxor multiferroic PbFe0.5Nb0.5O3. Phys. Rev. Lett., 105, Iss. 25,
257202. doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.105.257202
8. Glinchuk, M. D., Eliseev, E. A. & Morozovska, A. N. (2014). New room temperature multiferroics on the
base of single-phase nanostructured perovskites. J. Appl. Phys., 116, 054101. doi: https://doi.org/10.1063/
1.4891459
9. Glinchuk, M. D., Eliseev, E. A. & Morozovska, A. N. (2016). Theoretical description of anomalous proper ties of
novel room temperature multiferroics Pb(Fe1/2Ta1/2)x(Zr0.53Ti0.47)1 – xO3 and Pb(Fe1/2Nb1/2)x(Zr0.53Ti0.47)1 – xO3.
J. Appl. Phys., 119, 024102. doi: https://doi.org/10.1063/1.4939584
10. Glinchuk, M. D., Morozovska, A. N., Eliseev, E. A. & Blinc, R. (2009). Misfit strain induced magnetoelectric
coupling in thin ferroic films. J. Appl. Phys., 105, 084108. doi: http://doi.org/10.1063/1.3108483
11. Glinchuk, M. D., Eliseev, E. A., Morozovska, A. N. & Blinc, R. (2008). Giant magnetic effect induced by in-
trin sic surface stress in ferroic nanorods. Phys. Rev. B, 77, 024106. doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.
77.024106
12. Eliseev, E. A., Glinchuk, M. D., Khist, V., Skorokhod, V. V., Blinc, R. & Morozovska, A. N. (2011). Linear
magnetoelectric coupling and ferroelectricity induced by the flexomagnetic effect in ferroics. Phys. Rev. B,
84, 174112. doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.174112
Received 27.09.2017
51ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2017. № 12
Великий магнітоелектричний ефект при кімнатній температурі в нанозеренних кераміках...
М.Д. Глинчук, Л.П. Юрченко
Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича
НАН Украины, Киев
E-mail: glin@ipms.kiev.ua
БОЛЬШОЙ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ В НАНОЗЕРЕННЫХ КЕРАМИКАХ
МУЛЬТИФЕРРОИКОВ-ПЕРОВСКИТОВ С ОБЩЕЙ ФОРМУЛОЙ Pb(B′B′′)O3
В рамках подхода Ландау—Гинзбурга—Девоншира проведено теоретическое моделирование магнито-
электрического эффекта в нанозеренных керамиках мультиферроиков-перовскитов. Рассмотрены фер-
ромагнитные сегнетоэлектрики Pb(Fe1/2Ta1/2)x(Zr1/2Ti1/2)1 – xO3 и Pb(Fe1/2Nb1/2)x(Zr1/2Ti1/2)1 – xO3, имею-
щие значительные магнитоэлектрические свойства при температурах выше 100 К, включая аномально
большой магнитоэлектрический эффект при комнатной температуре. Показано, что благодаря размерным
эффектам в нанокерамике возможно увеличить коэффициент магнитоэлектрической связи на 1—3 порядка.
Ключевые слова: нанозеренная керамика, мультиферроики, магнитоэлектрический эффект, моделирова-
ние свойств.
M.D. Glinchuk, L.P. Yurchenko
Frantsevich Institute for Problems of Materials Science
of the NAS of Ukraine, Kiev
E-mail: glin@ipms.kiev.ua
HIGH MAGNETOELECTRIC EFFECT AT ROOM TEMPERATURE
IN NANOGRAINED CERAMICS OF MULTIFERROIC-PEROVSKITES
WITH GENERAL FORMULA Pb(B′B′′)O3
Using the Landau—Ginzburg—Devonshire approach, the theoretical modeling of the magnetoelectric effect
in nanograined ceramics of multiferroic-perovskites is carried out. We consider ferromagnetic ferroelectrics
Pb(Fe1/2Ta1/2)x(Zr1/2Ti1/2)1-xO3 and Pb(Fe1/2Nb1/2)x(Zr1/2Ti1/2)1-xO3, which have pronounced magneto electric
properties at temperatures higher than 100 K, including the high magnetoelectric effect at room temperature.
It is shown that the coefficient of magnetoelectric effect can increase by 1–3 orders due to size effects in nano-
ceramics.
Keywords: nanograined ceramics, multiferroics, magnetoelectric effect, modeling of properties.
|