Estudio de las propiedades eléctricas, magnéticas y estructurales de materiales multiferroicos
- Autores: Sara Lafuerza Bielsa
- Directores de la Tesis: Joaquin Garcia Ruiz (dir. tes.), Gloria Subías Peruga (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Bartolomé Sanjoaquín (presid.), Maria Grazia Proietti Cecconi (secret.), Miguel Algueró Giménez (voc.), Jesús Ángel Blanco Rodríguez (voc.), Claudio Mazzoli (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La obtención de nuevos materiales multiferroicos en los que coexistan ferromagnetismo y ferroelectricidad ha despertado un fuerte interés en los últimos años tanto desde un punto de vista fundamental como aplicado, ya que la interacción entre la polarización eléctrica y la imanación da lugar a nuevas funcionalidades como la inducción de polarización eléctrica al aplicar un campo magnético externo o viceversa, el control de la imanación con un campo eléctrico [1]. El objetivo general de esta tesis ha consistido en determinar el mecanismo de acople entre las propiedades macroscópicas eléctricas y magnéticas y la estructura electrónica y magnética a nivel microscópico de dos tipos de sistemas candidatos a presentar propiedades multiferroicas: (i) las dobles perovskitas Pb2MnW1-xRexO6 con un catión Pb2+ propenso a formar dipolos eléctricos debido al llamado efecto del par inerte s2 y (ii) las ferritas de valencia mixta tipo RFe2O4 con R una tierra rara pesada de la serie de los lantánidos y en particular el compuesto LuFe2O4 donde se ha propuesto que la ferroelectricidad está causada por un ordenamiento de carga de los iones de Fe. La familia de dobles perovskitas A2BB¿O6 con A un catión Pb2+ o Bi3+ y con BB¿ metales de transición se ha propuesto recientemente como posible candidata para exhibir efecto magnetoeléctrico por encima de temperatura ambiente [2]. De este modo, la familia de dobles perovskitas Pb2MnW1¿xRexO6 ha sido sintetizada por primera vez con la finalidad de encontrar un nuevo material multiferroico. En este sentido, a la vista de los distintos mecanismos microscópicos que pueden dar lugar a la aparición de ferroelectricidad, se ha seguido la estrategia de favorecer su aparición mediante la presencia del catión Pb+2 con par inerte 6s2. En concreto, el compuesto Pb2MnWO6 había sido ya caracterizada dentro del grupo de investigación [3, 4] previamente al inicio de esta tesis, confirmando la existencia de un ordenamiento antiferroeléctrico coincidente con una transición estructural a TS ¿ 445 K y un comportamiento magnético consistente con un ordenamiento antiferromagnético de los iones Mn+2 a ¿ 45 K. Con el fin de estimular la aparición de ordenamiento ferromagnético y acoplamiento magnetoeléctrico, se ha optado por la sustitución de W (catión d0) por Re (catión dn). El primer objetivo concreto en esta familia de materiales ha sido por tanto la determinación del diagrama de fase estructural de toda la serie de compuestos policristalinos Pb2MnW1¿xRexO6 (0 ¿ x ¿ 1) mediante difracción de rayos-x en el rango de temperaturas de 100 K a 550 K, que cubre las posibles transiciones estructurales y/o eléctricas en estos sistemas. Para identificar la existencia de multiferroicidad el método de estudio ha consistido en la caracterización macroscópica de las propiedades magnéticas y eléctricas. Finalmente, las transiciones encontradas han sido caracterizadas desde un punto de vista microscópico mediante espectroscopia de absorción de rayos-x para determinar su carácter de orden-desorden o de desplazamiento. La ferrita de valencia mixta LuFe2O4 ha sido propuesta como prototipo de material multiferroico donde la aparición de ferroelectricidad proviene de un orden de carga en la subred de átomos de hierro. A pesar de que este material ha sido objeto de una intensa investigación en los últimos años [5-7], la literatura científica contiene grandes controversias tanto acerca de la existencia de ferroelectricidad como del mecanismo que da origen a la misma. Por ello, nuestra motivación en este trabajo ha sido entender y resolver estas controversias. Para llevar a cabo este estudio se han sintetizado muestras policristalinas de LuFe2O4 y también de varios compuestos afines RFe2O4 (R = Yb, Tm, Y). Estos compuestos se han estudiado en paralelo con el primero con la idea de profundizar en la aparición de las propiedades multiferroicas y su dependencia con el tipo de catión R+3. Además, se nos han proporcionado varias muestras monocristalinas de LuFe2O4 crecidas en el Paul Scherrer Institut (Suiza). Una vez comprobada la calidad de las muestras, hemos procedido a su caracterización macroscópica eléctrica y magnética. El primer objetivo concreto es el estudio detallado y exhaustivo de las propiedades dieléctricas para confirmar la existencia o no de ferroelectricidad y acoplo magnetoeléctrico. El segundo objetivo importante es el estudio de la transición de fase, bautizada como de orden de carga. Las técnicas que hemos usado para determinar el ordenamiento de carga propuesto son la difracción de polvo de alta resolución y la dispersión resonante de rayos-x. Además, hemos realizado medidas de espectroscopia de absorción de rayos-x tanto para estimar la desproporcionación de carga del Fe en estos compuestos como para discernir si el mecanismo de la transición de fase es de tipo de desplazamiento o orden-desorden, en similitud con los estudios realizados en otros sistemas [3, 8, 9]. Por último, también hemos llevado a cabo experimentos de dicroísmo magnético circular de rayos-x para ahondar en la estructura magnética desde un punto de vista microscópico. Este detallado estudio, nos ha permitido dar una descripción coherente de las propiedades del compuesto LuFe2O4, material cuyo interés tecnológico es altamente reconocido.
[1] K. F. Wang, J.-M. Liu and Z. F. Ren, Advances in Physics 58, 321 (2009) [2] P. Baettig, C. Ederer and N. A. Spaldin, Phys. Rev. B 72, 214105 (2005) [3] G. Subías, J. Blasco, J. García, J. Herrero-Martín and M. C. Sánchez, J. Phys.: Condens. Matter 21, 075903 (2009) [4] J. Blasco et al. J. Phys.:Condens. Matter 18, 2261 (2006) [5] N. Ikeda et al., Nature 436, 1136 (2005).
[6] A. Nagano et al., Phys. Rev. Lett. 99, 217202 (2007) [7] J. Rouquette et al, Phys. Rev. Lett. 105, 237203 (2010).
[8] M. C. Sánchez, G. Subías, J. García and J. Blasco, Phys. Rev. Lett. 90, 045503 (2003) [9] G. Subías, J. García and J. Blasco, Phys. Rev. B 71, 155103 (2005)
