MATERIAIS multiferrÓIcOs BASEADOS EM MANGANITES

Fábio Figueiras, Vitor B. Amaral, Pedro Bandeira Tavares

 

O estudo dos materiais ferroeléctricos remonta a mais de um século e as teorias desenvolvidas abarcam os comportamentos do efeito piezoeléctrico, polarização, histerese, função dieléctrica, deformação e transições de fase. Hoje em dia, os ferroeléctricos geram uma ampla gama de aplicações: sensores, acopladores e actuadores (efeito piezo/piroeléctrico), condensadores (elevada permitividade dieléctrica), memórias (histerese e biestabilidade da polarização). Para além de aplicações em electrotecnia (motores/transformadores) e registo analógico, o interesse em materiais ferromagnéticos tornou-se marcante recentemente com os progressos na manipulação e caracterização de novos materiais, conduzindo a extraordinários incrementos na densidade de armazenamento e velocidade de leitura digital. Sensores, dispositivos de leitura e memórias baseados em efeitos magneto-resistivos encontram-se disponíveis; outras inovações encontram-se em investigação e desenvolvimento, para uso em spintrónica e computação quântica.

Recentemente, surge o interesse numa nova classe de materiais, os magnetoeléctricos multiferróicos, que apresentam simultaneamente propriedades de ordenamento eléctrico e magnético, com extraordinário potencial para aplicações e optimizações de dispositivos baseados nos materiais parentes ferroeléctricos e ferromagnéticos e controle de propriedades por aplicação de campos eléctricos e magnéticos. Adicionalmente, o nível complementar de modelação conferido pelo acoplamento das polarizações eléctrica e magnética, permite antever toda uma série de inovações no desenho de sensores, processadores e memórias [1] . O estudo científico destes sistemas torna-se assim essencial, amplo e cativante, motivado pela descoberta de novos fundamentos físicos e potenciais aplicações tecnológicas.

O número de sistemas conhecidos que apresentam propriedades multiferróicas é reduzido devido às condições singulares (de simetria) que permitem o aparecimento simultâneo de propriedades magnéticas e eléctricas [2] ; não obstante, as combinações possíveis de elementos, estruturas e estudos da física fundamental apresentam amplas áreas experimentais e teóricas ainda por pesquisar. Os resultados mais relevantes são motivo de publicação em revistas de elevado impacto científico, destacam-se:

Os sistemas multiferróicos intrínsecos mais estudados incluem essencialmente compostos baseados na estrutura perovesquite: manganites RMnO3 [5] com R = Bi, Y [2] , Tb [7] , Dy, [7] , Ho [8] incluindo dopagens entre terras raras e ainda BiFeO3 [9] . Estes sistemas apresentam temperaturas de ordem tipicamente de 100K. Estruturas alternativas em estudo incluem Bi2FeCrO6 [10] , DyMn2O5 [11] CdCr2S4 [11] .

Baseado nos estudos do sistema manganite de cálcio e nos mecanismos de ordenamento de carga, ou acoplamento polarónico [15] é possível conceber a sobreposição de estruturas e dopagens químicas que permitem a obtenção de propriedades multiferróicas [8] .

Efremov et al. [14] mostraram que em perovesquites com ordenamento orbital ou de carga é possível reforçar o acoplamento com a ordem magnética conduzindo a multiferróicos. Em particular, em manganites com dopagem inferior a 0.5 de Mn4+, o ordenamento de carga intermédio entre as situações de carga localizada nos nodos e nas ligações [16] , quebra a simetria de inversão.

Os sistemas com elevado potencial para aplicações podem resultar da combinação de materiais extrínsecos ferroeléctricos e ferromagnéticos. Destacam-se os resultados obtidos com compósitos cerâmicos de BaTiO3 e manganites [18] , em que a aplicação de um campo eléctrico controla a magnetização (redução de 70% com campo de 2.3kV/mm) e nanoestruturas [20] que apresentam efeitos magnetoeléctricos à temperatura ambiente.

 

Referências

[1] Ch Binek and B Doudin, J. Phys Condens Matter 17 (2005) L39-L44, Magnetoelectronics with magnetoelectrics

[2] Nicola A. Hill, J. Phys. Chem. B 2000, 104, 6694-6709, Why Are There so Few Magnetic Ferroelectrics?

[3] Nicola A. Hill, Alessio Filippetti, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 242–245 (2002) 976–979, Why are there any magnetic ferroelectrics?

[4] M. Fiebig, Th. Lottermoser, Th. Lonkai, A.V. Goltsev, R.V. Pisarev, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 290–291 (2005) 883–890, Magnetoelectric effects in multiferroic manganites

[5] A. M. Santos, S. Parashar, A. R. Raju, Y. s. Zhau, A. K. Cheetham, Solid State Comm. 122 (2002) 49-52, Evidence for the likely occurrence of MFE in the simple perovskite, BiMnO3

[6] T. Kimura, T. Goto, H. Shitani, K. Ishizaka, T. Arima, Y. Tokura, NATURE 426 (06-11-2003) Magnetic control of ferroelectric polarization.

[7] T. Goto, T. Kimura, G. Lawes, A. P. Ramirez, Y. Tokura, Physical Review Letters 93, no.25 (2005) 257201 FE and Giant Magnetocapacitance in Perovskite Rare-Earth Manganites

[8] O. P. Vajk, M. Kenzelmann, J. W. Lynn, S. B. Kim and S.-W. Cheong, arXiv:cond-mat/0502006 v1 31 Jan 2005, Magnetic Order and Spin Dynamics in Ferroelectric HoMnO3, to be published

[9] K. Noda, S. Nakamura, and H. Kuwahara, arXiv:cond-mat/0504655 v1 26 Apr 2005, Control of ferroelectric phase by chemical pressure in (Gd,Tb)MnO3 crystals, to be published

[10] Pio Baettig and Nicola Spaldin, arXiv:cond-mat/0410268 v1 12 Oct 2004, Ab-initio prediction of a new multiferroic with large polarization and magnetization, to be published,

[11] N. Hur, S. Park, P. A. Sharma, S. Guha, and S-W. Cheong, Physical Review Letters, Vol. 93, no 10, Colossal Magnetodielectric Effects in DyMn2O5

[12] J. Hemberger, P. Lunkenheimer, R. Fichtl, H.-A. Krug von Nidda, V. Tsurkan & A. Loidl, NATURE 434_364 (17-03-2005), Relaxor ferroelectricity and colossal magnetocapacitive coupling in ferromagnetic CdCr2S4

[13] C. Ederer, N. A. Spaldin, NATURE mat. 3 (12-2004), Magnetoelectrics a new route to magnetic ferroelectrics.

[14] D. V. EfremovF, J. Van Den Brink and D. I. Khomskii, Nat Materials  12/2004, pag 853, Bond- versus site-centred ordering and possible ferroelectricity in manganites

[15] Fábio Figueiras, dissertação de Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Aveiro, 2004, “Composição, estrutura e propriedades de manganites cerâmicas: Efeito da substituição de Lantânio por Cálcio e lacunas”.

[16] A. Daoud-Aladine, J. Rodriguez-Carvajal,L. Pinsard-Gaudart, M. T. Fernandez-Diaz, and A. Revcolevschi, Phys. Rev. Lett. 89, 097205 (2002) Zener Polaron Ordering in Half-Doped Manganites

[17] V. Ferrari, M. D. Towler and P. B. Littlewood, Phys. Rev. Lett. 91, 227202 (2003)

[18] Kenichiro Ban, Manabu Gomi, Takeshi Shundo and Nobuaki Nishimura, Giant M-E Effect of Multiferroic BaTiO3- LaMnO3 Ceramic Composites, InterMag Conference 2005- Japan, to be published

[19] B.T. Cong, N.N. Dinh,D.V. Hien,N.L. Tuyen, Physica B 327 (2003) 370–373, Study of La0.7Sr0.3Mn0.96Co0.04O3, La0.7Sr0.3MnO3 and BaTiO3 composites

[20] H Zheng, et. al., SCIENCE 303 (30-01-2004), Multiferroic BaTiO3-CoFe2O4 Nanostructures

 

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