КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-19-00307

НазваниеИсследование структуры, обменных взаимодействий, магнитных и диэлектрических свойств сложных оксидов переходных металлов перспективных для создания новых функциональных материалов.

РуководительКарпинский Дмитрий Владимирович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2018 г. - 2020 г. 

Конкурс№28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые словакристаллическая и магнитная структура; структурные фазовые переходы; переход металл-диэлектрик; ферромагнетик, сегнетоэлектрик, мультиферроик;

Код ГРНТИ29.19.15 29.19.35 29.19.43


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
В последнее десятилетие к функциональным материалам предъявляются повышенные требования, касающиеся соблюдения строгих экологических норм и улучшения физических параметров при одновременном уменьшении их размеров, что объясняет пристальное внимание исследователей к сложным оксидам переходных элементов. Известно, что оксиды марганца и железа со структурой перовскита (манганиты и ферриты) характеризуются значительной спонтанной намагниченностью, существенным магнитосопротивлением (манганиты), тесной связью электрической и магнитной подсистем (ферриты), при этом указанные параметры значительно улучшаются в области структурных и магнитных фазовых переходов. Основной целью проекта является исследование сложных оксидов марганца и железа, характеризующихся метастабильным структурным и магнитным состоянием, что позволит разрабатывать новые эффективные функциональные материалы. Метастабильное состояние кристаллической и/или магнитной структуры сопровождается повышенной чувствительностью таких составов к внешним воздействиям, таким как электрическое и магнитное поле, механическое напряжение, температура и т.д. Формирование составов с метастабильной структурой будет достигнуто с использованием разработанными авторами проекта схем химического замещения исходных оксидов LaMnO3 и BiFeO3 редкоземельными и щелочноземельными ионами в A- подрешетке перовскита и/или переходными металлами в В- подрешетке перовскита с использованием твердофазного метода синтеза, а также с помощью химических методов синтеза объемных составов ферритов и манганитов с формированием кристаллитов с размерами 50 нм – 500 нм. Предлагаемые схемы химического замещения и методы синтеза, а также термическая обработка составов после синтеза в различных газовых средах (в зависимости от их химического состава) позволят контролировать характер химической связи между ионами переходных элементов, варьировать структурные параметры составов и дефектность, размер кристаллитов и другие параметры, что дает возможность создавать материалы с заданными физико-химическими свойствами. Использование нестабильного структурного и магнитного состояния составов для улучшения свойств составов, предложенные способы формирования метастабильного состояния, обнаруженные особенности изменения структурного и магнитного состояния составов при различных внешних воздействиях, а также комбинирование макроскопических (дифракция нейтронов и рентгеновского излучения, магнитометрия и др.) и локальных (атомно-силовая микроскопия, электронная дифракция и др.) методов исследования обуславливают научную новизну проекта. Актуальность проекта обусловлена тем, что в настоящее время ведется активный поиск новых эффективных магнитных, магнитоэлектрических и других функциональных материалов для применений в различных электротехнических устройствах. Свойства сложных оксидов переходных металлов с метастабильной структурой являются перспективными материалами для многих технологических решений - датчики магнитного поля; материалы для изготовления головок чтения/записи в магнитных устройствах записи и хранения информации; рабочие компоненты в настраиваемых микроволновых резонаторах, фазовращатели и другие электронные устройства. Магнитоэлектрическая связь, характерная для ферритов, позволяет использовать их в качестве преобразователей энергии и устройств сбора энергии. Недавно наблюдаемые фотоэлектрические свойства материалов на основе феррита висмута открывают новые возможности в разработке и создании материалов для солнечных элементов.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут определены причины, обуславливающие улучшение физических свойств сложных оксидов железа и марганца вблизи фазовых границ. Решение данной задачи предполагает определение макроскопических и локальных факторов, влияющих на структуру и свойства составов, а именно - характер химической связи и тип обменных взаимодействий между ионами переходных металлов, концентрация и распределение структурных дефектов, механические напряжения, форма и размер зерен кристаллитов, степень химической однородности составов. В ходе выполнения проекта будут разработаны эффективные схемы химического замещения, будут определены оптимальные методы термической обработки составов после синтеза (закалка, отжиг в газовых средах и т.п.), что позволит оптимизировать фазовый состав и контролировать стехиометрию образцов. Исследование структуры и свойств составов позволит выяснить взаимосвязь между конкретными физическими параметрами (проводимость, намагниченность, частота (анти) ферромагнитного резонанса, магнитная и электрическая восприимчивость и др.) и фазовым составом исследуемых материалов, а также степени влияния внешних факторов на указанные характеристики. Выполнение проекта позволит создать научную основу для разработки и синтеза функциональных материалов с заданными физическими характеристиками на основе сложных оксидов железа и марганца с метастабильной структурной. Полученные результаты позволят получать экономически эффективные и экологически чистые материалы с улучшенными физическими свойствами (сегнетоэлектрики с величиной пьезокоэффициентов более 200 пм/В, мультиферроики с параметром магнитоэлектрического взаимодействия до 1-5 В/см*Э), востребованных электронной промышленностью для производства магнитных датчиков, микроволновых фильтров, резонаторов, фазовращателей и др. материалов и устройств.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В ходе первого года выполнения проекта были проведены исследования кристаллической структуры, взаимосвязи типа структурных искажений с магнитными и магнитотранспортными свойствами систем твердых растворов Bi1-xCaxFe1-xMxO3 (M = Ti, Mn), Bi1-xCaxFe1-x/2Nbx/2O3 и La1-xBaxCoO3-d. Исследования проводились методом магнитометрии, также использовались методы дифракции нейтронов и рентгеновского излучения, методы сканирующей зондовой микроскопии, проведены исследования методом импедансной спектроскопии и др. На основании полученных результатов установлена последовательность изменения кристаллической и магнитной структур твердых растворов феррита висмута в зависимости от типа ионов-заместителей, их концентрации и температуры. Установлено, что в системах твердых растворов Bi1-xCaxFe1-xMxO3 (M = Ti, Mn) и Bi1-xCaxFe1-x/2Nbx/2O3 концентрационный переход в неполярную орторомбическую фазу происходит путем образования двухфазного структурного состояния без формирования промежуточной структурной фазы. Для систем твердых растворов с замещением ионами Ca и Nb а также Ca и Mn ромбоэдрическая фаза остается стабильной до концентраций x ~ 0.19, при более высокой концентрации ионов-заместителей происходит структурный переход в неполярную орторомбическую фазу (пространственная группа Pbnm). Для составов системы Ca|Ti ромбоэдрическая фаза остается стабильной в более широком диапазоне концентраций (до х ~ 0.27). Анализ температурных рентгенограмм, полученных для составов Bi1-xCaxFe1-xMxO3 в области фазовой границы, не выявил образования какой-либо промежуточной структурной фазы. Полярная ромбоэдрическая фаза исчезает при температурах около 200°C, при этом такое поведение характерно для всех исследуемых серий. Дальнейшее увеличение температуры приводит к стабилизации неполярной орторомбической фазы. Полученные результаты опубликованы в следующей работе исполнителей проекта: D.V. Karpinsky, M.V. Silibin, A.V. Trukhanov et al., J. Phys. Chem. Solids 126, 164-169 (2019); http://dx.doi.org/10.1016/j.jpcs.2018.11.006. Исследования магнитных свойств составов с замещением ионами Ca и Mn и имеющих ромбоэдрическую структуру, выявили почти линейный характер полевых зависимостей намагниченности, что предполагает антиферромагнитное упорядочение магнитных моментов ионов. Увеличение намагниченности составов при низкой температуре может быть вызвано усилением положительных обменных взаимодействий между ионами Fe3+ и Mn4+, которые образуют ближний магнитный порядок и кластеризуются в нанометровые области, сосуществующие в антиферромагнитной матрице, с доминирующими отрицательными обменными взаимодействиями Fe3+ - O - Fe3+. По сравнению с твердыми растворами с замещением ионами Ca и Mn слабоферромагнитные составы с Ca и Ti обладают более высокой спонтанной намагниченностью, которая наиболее вероятно обусловлена большей величиной поворота октаэдров кислорода и соответственно более сильным обменным взаимодействием между ионами железа. Однако дальнейшее диамагнитное разбавление магнитоактивной подрешетки ионов железа приводит к постепенному уменьшению намагниченности. В отличие от твердых растворов серий Ca|Mn и Ca|Ti составы системы Ca|Nb с малой концентрацией ионов-заместителей, характеризуются небольшой величиной коэрцитивной силы и остаточной намагниченности. Дальнейшее увеличение содержания ионов-заместителей приводит к постепенному увеличению остаточной намагниченности с последующей стабилизацией слабоферромагнитного состояния с полярной кристаллической структурой. Дальнейшее химическое замещение подрешетки ионов железа в системе Ca|Nb приводит к уменьшению намагниченности. Полученные результаты опубликованы в следующей работе исполнителей проекта: V.A. Khomchenko, M.S. Ivanov, D.V. Karpinsky et al., Mater. Lett. 235, 46 (2019); http://dx.doi.org/10.1016/j.matlet.2018.10.006. Магнитные свойства ферромагнитных кобальтитов La1-xBaxCoO3-δ с металлическим типом проводимости объясняются главным образом с помощью модели сверхобменного взаимодействия локализованных электронов через ионы кислорода. Магнитные свойства составов La0.45Ba0.55CoO3-d и La0.4Ba0.6CoO3-d указывают на формирование неоднородной магнитной структуры; в зависимости от содержания ионов бария и кислорода в разных температурных диапазонах доминирующими становятся либо положительные, либо отрицательные обменные взаимодействия. Результаты измерения удельного сопротивления состава La0.45Ba0.55CoO2.85 свидетельствуют о наличии спинового перехода вблизи температуры 150 K, где наблюдается максимум намагниченности. В отсутствие магнитного поля электропроводность состава La0.45Ba0.55CoO2.9 имеет полупроводниковый характер. Однако в полях ~14 Т выше температуры Кюри наблюдается металлический тип электропроводности. Полученные результаты опубликованы в следующей работе исполнителей проекта: I.O. Troyanchuk, M.V. Bushinsky, N.V. Tereshko et al., Physica Status Solidi (B) 255 (10), 1800315 (2018). http://dx.doi.org/10.1002/pssb.201800315. Результаты теоретических исследований предсказали возможность линейного AFD-AFM-эффекта в перовскитах со структурным AFD и дальним AFM порядком, получены необходимые условия его существования. Основными физическими проявлениями этого эффекта являются размытие AFM-перехода и скачок теплоемкости вблизи указанного перехода. В отсутствие внешних полей линейная AFD-AFM-связь может индуцировать слабое AFM-упорядочение выше температуры Нееля, но ниже температуры AFD перехода, что дает возможность наблюдать слабый несобственный антиферромагнетизм в мультиферроиках на основе BiFeO3 при температурах T > TN. Полученные результаты опубликованы в следующей работе исполнителей проекта: M.D. Glinchuk, A.N. Morozovska, D.V. Karpinsky, M.V. Silibin, "Anomalies of phase diagrams and physical properties of antiferrodistortive perovskite oxides" J. Alloys Compd. 778, 452 (2019); http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.015.

 

Публикации

1. Карпинский Д.В., Силибин М.В., Труханов А.В., Желудкевич А.Л., Маниецки Т., Манукевичус В., Сиколенко В., Пайшао Ж.А., Хомченко В.А. A correlation between crystal structure and magnetic properties in co-doped BiFeO3 Journal of Physics and Chemistry of Solids, Journal of Physics and Chemistry of Solids (2018) (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2018.11.006

2. Троянчук И.О.,Бушинский М.,Терешко Н.,Риттер К.,Сиколенко В.,Силибин М.В. Spin State of Cobalt Ions and the Magnetic Properties of Heavily Ba-Substituted Cobaltites with Perovskite Structure Physica Status Solidi (B) Basic Research, Phys. Status Solidi B 2018, 255, 1800315 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1002/pssb.201800315

3. Хомченко В.А., Иванов М.С., Карпинский Д.В., Дубков С.В., Силибин М.В., Пайшао Ж.А. Weak ferromagnetic state in the polar phase of Bi1-xCaxFe1-x/2Nbx/2O3 multiferroics Materials Letters, Materials Letters 235 (2019) 46–48 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.10.006

4. Глинчук М.Д., Морозовская А.Н., Карпинский Д.В., Силибин М.В. Anomalies of phase diagrams and physical properties of antiferrodistortive perovskite oxides Journal of Alloys and Compounds, Journal of Alloys and Compounds 778 (2019) 452-479 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.015


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
На основании полученных результатов установлена концентрационная и температурная зависимость структурных параметров составов Bi1-xBaxFe1-xTixO3 в окрестности фазового перехода ромбоэдр-(псевдо)куб, обнаружено, что увеличение концентрации ионов-заместителей приводит к уменьшению ромбоэдрических искажений, при этом объем элементарной ячейки увеличивается. В составах с доминирующей псевдокубической фазой при комнатной температуре увеличение температуры приводит к стабилизации однофазной кубической структуры. В керамических составах в области морфотропной фазовой границы наблюдается неожиданное усиление ромбоэдрических искажений, вызванных увеличением амплитуды поворота кислородных октаэдров, данная аномалия наблюдается при температурах ниже температуры перехода в кубическую структуру, при увеличении концентрации ионов бария и титана данная структурная аномалия становится менее выраженной, температура, при которой она наблюдается, уменьшается. Полученные результаты прояснили особенности температурных фазовых переходов в составах в области фазовых границ, подтвердился невертикальный характер фазовой границы, а также немонотонное изменение соотношения структурных фаз в области структурных переходов. Полученные результаты опубликованы в следующих работах исполнителей проекта: • D.V. Karpinsky, M.V. Silibin, A.V. Trukhanov, A.L. Zhaludkevich, S.I. Latushka, D.V. Zhaludkevich, V. Sikolenko, V.A. Khomchenko “Evolution of crystal structure of Ba and Ti co-doped BiFeO3 ceramics at the morphotropic phase boundary” J. Alloys Compd. 803, 1136-1140 (2019). • V. A. Khomchenko, D. V. Karpinsky, S. I. Latushka, A. Franz, V. V. Sikolenko, S. V. Dubkov, M. V. Silibin and J. A. Paixão, “The structural origin of composition-driven magnetic transformation in BiFeO3-based multiferroics: a neutron diffraction study”, J. Mater. Chem. C 7, 6085 (2019). На основании данных магнитометрии и магнитной нейтронографии установлено, что составы с разным типом замещения в А-позиции решетки перовскита (Bi1-xCaxFe1-xTixO3 и Bi1-xBaxFe1-xTixO3) характеризуются разным типом магнитной структуры, так составы с замещением ионами кальция и титана характеризуются формированием слабого ферромагнетизма, при этом сохраняется сегнетоэлектрическое состояние составов, в составах с замещением ионами бария и титана сохраняется магнитное состояние, характерное для исходного состава BiFeO3. Установлено, что в составах на основе BiFeO3 на антипараллельную ориентацию спинов магнитных моментов ближайших соседних ионов влияет взаимодействие типа Дзялошинского-Мория, при этом величина такого взаимодействия характеризуется двумя составляющими, которые связаны с сегнетоэлектрической поляризацией и с противофазными вращениями кислородных октаэдров FeO6 соответственно. На основании полученных данных сделан вывод, о том, что если энергия Дзялошинского-Мория, связанная с поляризацией, меньше, чем энергия, связанная с поворотом октаэдров, то циклоидная модуляция разрушается, стабилизируется состояние со скошенным антиферромагнитным упорядочением G-типа. Установлено, что химическое замещение ионами Ca/Ti, уменьшает электрическую поляризацию, при этом не наблюдается изменение угла поворота октаэдров, в то время как замещение ионами Ba/Ti сопровождается значительным уменьшением амплитуды поворота кислородных октаэдров. Результаты исследований уточняют особенности эволюции кристаллической структуры, что позволяет формировать составы с одновременным существованием магнитоактивного и сегнетоэлектрического структурного состояния. Полученные результаты опубликованы в следующих работах исполнителей проекта: • V.A. Khomchenko, D.V. Karpinsky, M.S. Ivanov, A. Franz, S.V. Dubkov, M.V. Silibin, J.A. Paixao, “Effect of combined Ca/Ti and Ca/Nb substitution on the crystal and magnetic structure of BiFeO3”, J. Magn. Magn. Mater. 491, 165561 (2019). • V.A. Khomchenko, D.V. Karpinsky, D.V. Zhaludkevich, S.I. Latushka, A. Franz, V.V. Sikolenko, K.N. Nekludov, S.V. Dubkov, M.V. Silibin, J.A. Paixao "Temperature-driven structural transformations in Ca/Ti- and Ba/Ti-doped BiFeO3" Mater. Lett. 254, 305-308 (2019). На основании данных, полученных в результате дифракционных исследований определены координаты, углы, длины и характер связей ионов M – O – M (где M – ион переходного металла), на основании данных магнитной нейтронографии и результатов магнитометрии определены условия формирования неколлинеарного антиферромагнитного упорядочения, области концентрационной и температурной стабильности магнитоактивных фаз, определены величины и геометрия магнитных моментов в элементарной ячейке исследуемых составов. Установлено, что химическое замещение ионами Ca/Ti и Ca/Nb подавляют антиферромагнитное упорядочение с пространственной модуляцией спинового магнитного момента, характерной для исходного состава BiFeO3, при этом наблюдается стабилизация магнитного состояния, характерного для слабого ферромагнетизма. Анализ структурных параметров подтверждает, что замещение 15% ионами Ca/Ti приводит к уменьшению спонтанной электрической поляризации (P ~ 72 мкК/см2 для x = 0; P ~ 64 мкК/см2 для состава с x = 0.15), при этом угол ω (величина противофазного вращения кислородных октаэдров) практически не меняется. Полученные данные подтверждают гипотезу, которая предполагает, что химическое давление, которое приводит к разрушению полярного упорядочения, также должно способствовать подавлению пространственно модулированной магнитной структуры. В случае если концентрационный диапазон стабильности полярно активной ромбоэдрической фазы шире, чем у магнитной фазы с модулированной структурой, должно формироваться структурное состояние, обладающее одновременно слабым ферромагнитизмом и сегнетоэлектрическим упорядочением. Полученные результаты опубликованы в следующей работе исполнителей проекта: • V.A. Khomchenko, D.V. Karpinsky, M.S. Ivanov, A. Franz, S.V. Dubkov, M.V. Silibin, J.A. Paixao, “Effect of combined Ca/Ti and Ca/Nb substitution on the crystal and magnetic structure of BiFeO3”, J. Magn. Magn. Mater. 491, 165561 (2019).

 

Публикации

1. Карпинский Д.В., Силибин М.В., Труханов А.В., Желудкевич А.Л., Латушка С.И., Желудкевич Д.В., Сиколенко В.В., Хомченко В.А. Evolution of crystal structure of Ba and Ti co-doped BiFeO3 ceramics at the morphotropic phase boundary Journal of Alloys and Compounds, Volume 803, 30 September 2019, Pages 1136-1140 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.145

2. Хомченко В.А., Карпинский Д.В., Желудкевич Д.В., Латушка С.И., Франц А., Сиколенко В.В., Неклюдов К.Н., Дубков С.В., Силибин М.В., Пайшао Ж.А. Temperature-driven structural transformations in Ca/Ti- and Ba/Ti-doped BiFeO3 Materials Letters, Volume 254, 1 November 2019, Pages 305-308 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.07.091

3. Хомченко В.А., Карпинский Д.В., Иванов М.С., Франц А., Дубков С.В., Силибин М.В., Пайшао Ж.А. Effect of combined Ca/Ti and Ca/Nb substitution on the crystal and magnetic structure of BiFeO3 Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 491, 1 December 2019, 165561 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165561

4. Хомченко В.А., Карпинский Д.В., Латушка С.И., Франц А., Сиколенко В.В., Дубков С.В., Силибин М.В., Пайшао Ж.А. The structural origin of composition-driven magnetic transformation in BiFeO3- based multiferroics: a neutron diffraction study Journal of Materials Chemistry C, J. Mater. Chem. C, 2019,7, 6085-6090 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1039/C9TC01521C

5. - Сегнетоэлектрики и мультиферроики снова в моде МИЭТ, 05.08.2019 (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В течение третьего года выполнения проекта были проведены комплексные исследования кристаллической структуры, магнитных, пьезоэлектрических и магнитоэлектрических свойств составов систем Bi1-x(A)xFe1-yMyO3 (где A - щелочно-земельный ион; M – ион переходного металла) с использованием как локальных так и макроскопических экспериментальных методов, в частности использовались методы атомно-силовой микроскопии, просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения (HR-(S)TEM), а также дифракции нейтронов и рентгеновского излучения, магнитометрии, DSC/DTA анализ и др. Проведенные исследования позволили определить характер структурных искажений составов и условия концентрационных и температурных фазовых переходов, выявить отличия в диапазонах стабильности полярных и неполярных структурных фаз, определить условия формирования метастабильного структурного состояния, различных типов магнитной структуры и сегнетоэлектрического упорядочения; построены температурные и концентрационные фазовые диаграммы, опубликовано 5 статей в международных научных журналах. С использованием локальных и макроскопических методов исследования установлено, что в составах Bi1-xBa(Ca)xFe1-yTi(Mn)yO3 структурный фазовый переход из ромбоэдрической полярной фазы в кубическую фазу вызванный изменением концентрации ионов Ba и Ti наблюдается в диапазоне 0.20 ≤ x ≤ 0.35 и происходит через образование полярно активной псевдокубической фазы. Фазовый переход характеризуется сосуществованием двух структурных фаз наноразмерного масштаба. Составы с двухфазным структурным состоянием характеризуются усилением ромбоэдрических искажений, при повышении температуры. Наблюдаемое усиление ромбоэдрических искажений отражает немонотонное изменение соотношения сосуществующих фаз вдоль линии фазового перехода и может быть вызвано конкурирующими факторами, связанными с одной стороны с вращением кислородных октаэдров, с другой стороны с дипольными взаимодействиями, изменяющимися с увеличением температуры и концентрации ионов-заместителей. В составах системы Bi1-xCaxFe1-yMnyO3 увеличение концентрации ионов марганца приводит к уменьшению концентрации кислородных вакансий, вызванных химическим замещением ионов висмута на ионы кальция, при этом ионы марганца характеризуются смесью окислительных состояний 3+/4+. Увеличение температуры, так же, как и увеличение концентрации ионов кальция приводит к уменьшению величины полярного смещения ионов Bi(Ca) относительно кислородного октаэдра, что приводит к уменьшению величины дипольного момента и спонтанной поляризации составов. Полученные результаты опубликованы в следующих работах исполнителей проекта: • D.V. Karpinsky, M.V. Silibin, S.V. Trukhanov, A.V. Trukhanov, A.L. Zhaludkevich, S.I. Latushka, D.V. Zhaludkevich, V.A. Khomchenko, D.O. Alikin, A.S. Abramov, T. Maniecki, T. Maniukiewicz., M. Wolff V. Heitmann, A.L. Kholkin) “Peculiarities of the crystal structure evolution of BiFeO3 - BaTiO3 ceramics across structural phase transitions”, Nanomaterials 10[4], 801 (2020). • V.A. Khomchenko, D.V.Karpinsky, M.V. Bushinsky, D.V. Zhaludkevich, A. Franz, M.V.Silibin, “Effect of Mn substitution on the crystal and magnetic structure of Bi1-xCaxFeO3-x/2 multiferroics” Materials Letters 266, 127470 (2020). • D.V. Zhaludkevich, S.I. Latushka, T.V. Latushka, A.V. Sysa, Yu.P. Shaman, D.A. Dronova, A.N. Chobot, G.M. Chobot, K.N. Nekludov, M.V. Silibin, D.V. Karpinsky “Crystal structure and magnetic properties of (1-x)BiFeO3 – (x)BaTiO3 ceramics across the phase boundary” Nanomaterials Science & Engineering 2[2] 15737 (2020) Установлено, что полярно активные области в составах Bi1-xBa(Ca)xFe1-xTi(Mn)xO3 относятся к ромбоэдрической структурной фазе, а области без СМП контраста относятся к кубической фазе. Следует отметить, что данные PFM позволили обнаружить пьезоэлектрический сигнал малой величины в составах, имеющих однофазную кубическую либо псевдокубическую структуру согласно дифракционным исследованиям, например, состав с x = 0.35 системы Bi1-xBaxFe1-xTixO3. Наблюдаемый PFM сигнал в составах Bi1-xBaxFe1-xTixO3 с псевдокубической структурой можно объяснить, предполагая наличие слабого полярного искажения элементарной ячейки, при этом величина структурного искажения слишком мала, чтобы быть обнаруженной обычными дифракционными методами. Для составов с замещением ионами кальция и титана наблюдается схожая зависимость эволюции пьезоэлектрических свойств от концентрации ионов-заместителей. Для составов с концентрацией x < 0.2 наблюдается четкая доменная структура, при увеличении концентрации ионов заместителей и по мере приближения к границе структурного фазового перехода ромбоэдр-орторомб доменные границы становятся более размытыми. Результаты исследования магнитоэлектрического взаимодействия указывают на существенную взаимосвязь между структурным состоянием составов (наличием метастабильной структуры), типом кристаллической структуры и величиной магнитоэлектрического взаимодействия. Установлено, что максимальная величина магнитоэлектрического коэффициента наблюдается для составов с двухфазным структурным состоянием с доминированием полярной ромбоэдрической структуры.. Полученные результаты опубликованы в следующих работах исполнителей проекта: • D.V. Karpinsky, M.V. Silibin, S.V. Trukhanov, A.V. Trukhanov, A.L. Zhaludkevich, S.I. Latushka, D.V. Zhaludkevich, V.A. Khomchenko, D.O. Alikin, A.S. Abramov, T. Maniecki, T. Maniukiewicz., M. Wolff V. Heitmann, A.L. Kholkin) “Peculiarities of the crystal structure evolution of BiFeO3 - BaTiO3 ceramics across structural phase transitions”, Nanomaterials 10[4], 801 (2020). • V.A. Khomchenko, M.V. Silibin, M.V. Bushinsky, S.I. Latushka, D.V. Karpinsky, “Magnetic structure and properties of Ca, Mn-doped bismuth ferrites near the polar/nonpolar phase boundary” Journal of Physics and Chemistry of Solids 146, 109612 (2020). Анализ магнитных свойств и магнитной структуры твердых растворов Bi1-xBa(Ca)xFe1-xTi(Mn)xO3 указывает на доминирование антиферромагнитной структуры в составах Bi1-xBaxFe1-xTixO3, при этом в составах с x < 0.25 существует небольшая ферромагнитная компонента. Увеличение содержания ионов-заместителей до x = 0.25 приводит к резкому уменьшению спонтанной намагниченности. Зависимости намагниченности M (T) и M (H) полученные для составов с x > = 0.25, указывают на отсутствие остаточной намагниченности и стабилизацию коллинеарной антиферромагнитной структуры. Модель, объясняющая поведение намагниченности составов Bi1-xBaxFe1-xTixO3 в области фазовой границы предполагает комбинацию нескольких факторов – уменьшение количества ромбоэдрической фазы с увеличением концентрации ионов-заместителей, и имеющую характерную остаточную намагниченность ~0.02 emu/g, уменьшение поворота кислородных октаэдров и уменьшение смещения ионов в сторону центросимметричных позиций, что суммарно приводят к формированию коллинеарной антиферромагнитной структуры составов. Магнитная структура составов Bi1-xCaxFe1-yMnyO3+d успешно описывается моделью, предполагающей G-тип антиферромагнитного упорядочения магнитных моментов ионов Fe и Mn вдоль полярной оси c, что запрещает т.н. спиновый «кантинг». Магнитная структура составов при низкой темпеартуре (T < 150 K) предполагают стабилизацию антиферромагнитной структуры G-типа с магнитными моментами ориентированными вдоль оси a, что предполагает наличие спинового «кантинга» приводящего к появлению спонтанной намагниченности при низких температурах. Смешанное магнитное состояние составов Bi1-xCaxFe1-yMnyO3+d (x <= 0.15, y<=0.5) обнаруженное при низких температурах представляет собой смесь дальнего антиферромагнитного порядка и магнитной компоненты типа спинового стекла. Полученные результаты опубликованы в следующих работах исполнителей проекта: • D.V. Karpinsky, M.V. Silibin, S.V. Trukhanov, A.V. Trukhanov, A.L. Zhaludkevich, S.I. Latushka, D.V. Zhaludkevich, V.A. Khomchenko, D.O. Alikin, A.S. Abramov, T. Maniecki, T. Maniukiewicz., M. Wolff V. Heitmann, A.L. Kholkin) “Peculiarities of the crystal structure evolution of BiFeO3 - BaTiO3 ceramics across structural phase transitions”, Nanomaterials 10[4], 801 (2020). • V.A. Khomchenko, D.V.Karpinsky, M.V. Bushinsky, D.V. Zhaludkevich, A. Franz, M.V.Silibin, “Effect of Mn substitution on the crystal and magnetic structure of Bi1-xCaxFeO3-x/2 multiferroics” Materials Letters 266, 127470 (2020). • V.A. Khomchenko, M.V.Silibin, M.V. Bushinsky, S.I. Latushka, P. Wisniewski, A. Lukowiak, A. Franz, D.V. Karpinsky “Increased low-temperature magnetization and spin-reorientational transition in the polar phase of (Ca, Mn)-doped bismuth ferrites” Physica Status Solidi (B) Basic Research 257[8], 2000121 (2020).

 

Публикации

1. Желудкевич Д.В., Латушка С.И., Латушка Т.В., Сыса А.В., Шаман Ю.П., Дронова Д.А., Чобот А.Н., Чобот Г.М., Неклюдов К.Н., Силибин М.В., Карпинский Д.В. Crystal structure and magnetic properties of (1-x)BiFeO3 – xBaTiO3 ceramics across the phase boundary NANOMATERIALS SCIENCE & ENGINEERING, Vol. 2, No. 2, pp. 93-98 (2020) (год публикации - 2020) https://doi.org/10.34624/nmse.v2i2.15737

2. Карпинский Д.В., Силибин М.В., Труханов С.В., Труханов А.В., Желудкевич А.Л., Латушка С.И., Желудкевич Д.В., Хомченко В.А., Аликин Д.О., Абрамов А.С., Маницки Т., Манюкевич В., Вольф М., Хейтман В., Холкин А.Л. Peculiarities of the Crystal Structure Evolution of BiFeO3–BaTiO3 Ceramics across Structural Phase Transitions Nanomaterials, Nanomaterials 2020, 10(4), 801 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/nano10040801

3. Хомченко В.А., Карпинский Д.В., Бушинский М.В., Желудкевич Д.В., Франц А., Силибин М.В. Effect of Mn substitution on the crystal and magnetic structure of Bi1-xCaxFeO3-x/2 multiferroics Materials Letters, Volume 266, 1 May 2020, 127470 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127470

4. Хомченко В.А., Силибин М.В., Бушинский М.В., Латушка С.И., Вишневски П., Люковяк А., Франц А., Карпинский Д.В. Increased Low-Temperature Magnetization and Spin- Reorientational Transition in the Polar Phase of (Ca, Mn)-Doped Bismuth Ferrites Physica Status Solidi (B) Basic Research, Volume 257, Issue 8, 1 August 2020, 2000121 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1002/pssb.202000121

5. Хомченко В.А., Силибин М.В., Бушинский М.В., Латушка С.И., Карпинский Д.В. Magnetic structure and properties of Ca, Mn-doped bismuth ferrites near the polar/nonpolar phase boundary Journal of Physics and Chemistry of Solids, Volume 146, November 2020, 109612 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2020.109612

6. - Новый тип материалов из России сделает электронику безопаснее РИА Новости, Опубликована на сайте ria.ru 08.06.2020 года (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
Авторы проекта полагают, что полученные результаты расширяют научную основу, необходимую для разработки и получения новых материалов на основе сложных оксидов переходных металлов для создания новых функциональных составов для применения в качестве технологических материалов современной электронной промышленности. Эти материалы должны иметь необходимые и контролируемые параметры намагниченности, поляризуемости, (магнито)транспортных свойств и др, а также должны быть согласуемыми с кремниевой технологией. Для целенаправленного и успешного поиска этих материалов необходимо хорошо понимать условия формирования электрического и магнитного упорядочений разного типа. Сложные оксиды переходных металлов являются модельными объектами для изучения функциональных составов контролируемых химическим замещением а также под внешним воздействием (температура, давление, электрическое и магнитное поле и т.п.), поэтому результаты проведенных исследований расширяют базис для развития современной электронной промышленности. Материалы на основе сложных оксидов переходных металлов при комнатной температуре обладают намагниченностью, поляризацией, характеризуются наличием электромеханического и магнитоэлектрического взаимодействий, что делает их перспективными материалами для применения в области информационных и энергосберегающих технологий. Так на основе таких соединений можно создавать магнитные сенсоры, емкостные электромагниты, элементы магнитной памяти, СВЧ фильтры и другие устройства, не предполагающие протекания постоянных электрических токов и сопряженных с ними тепловых потерь. Некоторые из них, например сенсоры, в настоящее время производятся в промышленности, перспективы других устройств пока оценены на основе теоретических моделей. На основе указанных материалов создают датчики постоянного и переменного полей, в зависимости от конфигурации магнитного поля подбирается оптимальная геометрия датчика. Материалы на основе феррита висмута являются материалами с нарушенной временной инверсией, поэтому они могут быть использованы в качестве устройств СВЧ диапазона: вентилей, циркуляторов и др. Квадратичные магнитоэлектрические эффекты могут быть использованы в приборах удвоения частоты. Приведенные примеры практических применений, за исключением сенсоров магнитного поля, находятся на уровне идей или лабораторных прототипов, хотя возможность практического использования мультиферроиков на основе сложных оксидов переходных металлов была и продолжает оставаться серьезным стимулом для развития современного материаловедения и нанотехнологий.