Dielectric Relaxation and Magnetoelectric Properties of Sol-gel Synthesized Bi 0.45 Dy 0.55 FeO3 Multiferroic

لطالما بحث علماء المواد عن مادة يمكنها القيام بشيئين في آن واحد: أن تعمل كمغناطيس وتعمل كمفتاح كهربائي. تخيل مادة واحدة تحتفظ بمجال مغناطيسي، مثل مغناطيس الثلاجة، ولكن يمكن أيضًا تشغيلها وإطفاؤها بواسطة تيار كهربائي، مثل مفتاح المصباح. إن العثور على مثل هذه المادة أمر صعب لأن القوى التي تخلق المغناطيسية والقوى التي تخلق التبديل الكهربائي عادة ما تتصارع مع بعضها البعض. وعندما يجد الباحثون مادة تدير كلا الأمرين، يسمونها "متعددة الفيروئيات" (multiferroic). هذه المواد هي "الكأس المقدسة" للإلكترونيات المستقبلية، حيث تعد بأجهزة أصغر، وأسرع، وتستهلك طاقة أقل. ومع ذلك، فإن المرشح الأكثر شهرة لهذه المهمة، وهو مركب يسمى "بزموت فيريت" (bismuth ferrite)، يعاني من عيب رئيسي؛ فبينما يوجد طبيعيًا في درجة حرارة الغرفة، إلا أنه يسرب الكهرباء مثل المنخل، وخصائصه المغناطيسية ضعيفة ومتشابكة لدرجة أنها تلغي بعضها البعض، مما يجعله عديم الفائدة في الأجهزة الواقعية.

ولإصلاح ذلك، قرر فريق من الباحثين بقيادة آر. مارتينيز وآر. بالاي في جامعة بورتوريكو تجربة تجربة بسيطة ولكن دقيقة: لقد قاموا بخلط عنصر مختلف في "البزموت فيريت" لمعرفة ما إذا كان سيقوم بتنظيف الفوضى. وقد اختاروا "الديسبروزيوم" (dysprosium)، وهو عنصر من العناصر الأرضية النادرة المعروف بجذبه المغناطيسي القوي. ومن خلال استبدال بعض ذرات البزموت بذرات الديسبروزيوم بعناية في عملية مخبرية تحول المواد الكيميائية السائلة إلى مسحوق صلب، صنعوا نسخة جديدة من المادة. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان هذا الخليط الجديد يمكنه إيقاف التسربات الكهربائية وفك تشابك القوى المغناطيسية، وتحويل مادة معيبة إلى مادة وظيفية.

بدأ الفريق بصنع المادة باستخدام تقنية تسمى "تخليق السول-جيل" (sol-gel synthesis). تتضمن هذه العملية خلط المواد الكيميائية السائلة معًا حتى تشكل مادة هلامية سميكة، والتي يتم بعد ذلك تجفيفها وتسخينها حتى تتحول إلى مسحوق صلب. قاموا بضغط هذا المسحوق في أقراص وخبزها في درجات حرارة عالية لإنشاء العينات النهائية. وعندما نظروا إلى بنية مادتهم الجديدة تحت مجاهر قوية وأجهزة الأشعة السينية، وجدوا أن شيئًا مهمًا قد حدث. كانت المادة الأصلية تمتلك شكلًا بلوريًا ملتويًا محددًا، لكن الخليط الجديد غير شكله تمامًا؛ حيث أعادت الذرات ترتيب نفسها في بنية مختلفة أكثر انتظامًا. لم يكن هذا التغيير في الشكل مجرد تفصيل تجميلي، بل كان المفتاح لكل ما تبع ذلك.

كان التحسن الأكثر مباشرة الذي رأوه هو كيفية تعامل المادة مع الكهرباء. كانت المادة الأصلية سيئة السمعة بسبب فقدان الطاقة على شكل حرارة، وهي مشكلة تُعرف باسم "الفقد العازل العالي" (high dielectric loss). كان الأمر يشبه محاولة إرسال إشارة عبر سلك يعمل أيضًا كمدفأة. ومع ذلك، فإن المادة الجديدة فقدت القليل جدًا من الطاقة. وجد الباحثون أن المقاومة الكهربائية للمادة الجديدة كانت أعلى بكثير، مما يعني أنها تستطيع الاحتفاظ بالشحنة الكهربائية دون تسريبها. وكان هذا نتيجة مباشرة لضغط ذرات الديسبروزي��الأصغر حجمًا داخل الشبكة البلورية، مما منع الذرات من التحرك بحرية أكبر وسد المسارات التي تسلكها الكهرباء عادةً للهروب.

وعندما اختبر الفريق كيفية استجابة المادة للمجالات المغناطيسية، كانت النتائج أكثر دراماتيكية. كانت المادة الأصلية تمتلك بنية مغناطيسية تلتف في دائرة، مما يلغي فعليًا أي مغناطيسية إجمالية، تمامًا مثل شخصين يسحبان حبلًا في اتجاهين متعاكسين بقوة متساوية. ومع ذلك، فإن المادة الجديدة كسرت هذا اللولب. إذ أدى إدخال ذرات الديسبروزيوم إلى تعطيل التوازن الدقيق، مما سمح للقوى المغناطيسية بالاصطفاف في اتجاه واحد. وكانت النتيجة مادة أظهرت جذبًا مغناطيسيًا واضحًا وقابلًا للقياس، وتصرفت مثل مغناطيس تقليدي أكثر مما فعلت المادة الأصلية أبدًا. كانت هذه خطوة حاسمة، لأنها تعني أن المادة يمكنها الآن التفاعل مع المجالات المغناطيسية بطريقة مفيدة.

ولعل الاكتشاف الأكثر إثارة هو كيف عملت الصفتان معًا. طبق الباحثون مجالًا مغناطيسيًا على المادة الجديدة وراقبوا ما حدث. وجدوا أن المجال المغناطيسي يمكن أن يغير بالفعل الطريقة التي تخزن بها المادة الكهرباء. فعندما طبقوا مجالًا مغناطيسيًا بقوة 0.15 تسلا فقط، زادت قدرة المادة على الاحتفاظ بالشحنة الكهربائية بشكل ملحوظ. هذا التفاعل، المعروف باسم "الاقتران الكهرومغناطيسي" (magnetoelectric coupling)، هو السلوك المطلوب بالضبط لأجهزة الاستشعار وأجهزة الذاكرة المتقدمة. كانت المادة تستجيب لدفع مغناطيسي بسحب كهربائي، مما أثبت أن القوتين الآن مرتبطتان بدلاً من أن تتصارعا.

كما نظر الفريق في كيفية سلوك المادة تحت ظروف مختلفة لفهم سبب عملها بهذا الشكل الجيد. وجدوا أن المادة الجديدة كانت أكثر تجانسًا واستقرارًا من الأصلية. وبينما كانت المادة الأصلية تتطلب تفسيرًا معقدًا وفوضويًا لوصف سلوكها الكهربائي، اتبعت المادة الجديدة نمطًا بسيطًا وقابلًا للتنبؤ. هذا التبسيط يشير إلى أن البنية الداخلية كانت أنظف وأكثر اتساقًا. كما لاحظ الباحثون أن المادة الجديدة تمتلك حبيبات أصغر، أو بلورات صغيرة، متراصة بإحكام. ساعد هذا التراص الوثيق في منع التسربات الكهربائية وساهم في الاستقرار العام للمادة.

في النهاية، أكدت الدراسة أن استبدال جزء صغير من البزموت بالديسبروزيوم حول مادة معيبة إلى مادة واعدة. المادة الجديدة، التي سماها الباحثون BDFO، أظهرت انخفاضًا كبيرًا في التسرب الكهربائي، واستجابة مغناطيسية واضية، واتصالًا قويًا بين خصائصها المغناطيسية والكهربائية. وبينما اعترف الباحثون بأن بعض التفاصيل الدقيقة لكيفية تذبذب المادة تحت مجال مغناطيسي لا تزال غير مفهومة تمامًا، إلا أن النتائج الرئيسية كانت واضحة. لقد نجحوا في إنشاء مادة يمكن تبديلها بالكهرباء وجذبها بالمغناطيس في درجة حرارة الغرفة. يشير هذا الإنجاز إلى أنه من خلال ضبط مكونات هذه المواد بعناية، يمكن للعلماء التغلب على القيود الطبيعية التي أعاقت تطوير الأجهزة الإلكترونية من الجيل التالي.