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

Materialwissenschaftler suchen schon lange nach einer Substanz, die zwei Dinge gleichzeitig tun kann: wie ein Magnet wirken und wie ein elektrischer Schalter funktionieren. Stellen Sie sich ein einzelnes Material vor, das ein Magnetfeld hält, wie ein Kühlschrankmagnet, aber auch durch einen elektrischen Strom ein- und ausgeschaltet werden kann, wie der Schalter an einer Lampe. Einen solchen Stoff zu finden ist schwierig, da die Kräfte, die Magnetismus erzeugen, und die Kräfte, die das elektrische Schalten bewirken, normalerweise gegeneinander kämpfen. Wenn Forscher ein Material finden, das beides bewältigt, nennen sie es ein Multiferroikum. Diese Materialien sind der heilige Gral für die zukünftige Elektronik und versprechen Geräte, die kleiner, schneller und energiesparender sind. Doch der bekannteste Kandidat für diesen Job, eine Verbindung namens Wismutferrit, hat einen gravierenden Makel. Obwohl sie natürlich bei Raumtemperatur existiert, leckt sie Elektrizität wie ein Sieb, und ihre magnetischen Eigenschaften sind so schwach und verheddert, dass sie sich gegenseitig aufheben, was sie für reale Anwendungen unbrauchbar macht.

Um dies zu beheben, beschloss ein Forschungsteam unter der Leitung von R. Martinez und R. Palai an der University of Puerto Rico, ein einfaches, aber präzises Experiment zu wagen: Sie mischten ein anderes Element in das Wismutferrit, um zu sehen, ob es das Chaos bereinigen würde. Sie entschieden sich für Dysprosium, ein Seltenerdelement, das für seinen starken magnetischen Zug bekannt ist. Durch den sorgfältigen Austausch einiger der Wismutatome gegen Dysprosiumatome in einem Laborprozess, der flüssige Chemikalien in ein festes Pulver verwandelt, erschufen sie eine neue Version des Materials. Ihr Ziel war es zu sehen, ob diese neue Mischung die elektrischen Lecks stoppen und die magnetischen Kräfte entwirren könnte, um ein fehlerhaftes Material in ein funktionales zu verwandeln.

Das Team begann damit, das Material mit einer Technik namens Sol-Gel-Synthese herzustellen. Dieser Prozess beinhaltet das Mischen flüssiger Chemikalien, bis sie eine dicke, geleeartige Substanz bilden, die dann getrocknet und erhitzt wird, bis sie zu einem festen Pulver wird. Sie pressten dieses Pulver zu Scheiben und backten sie bei hohen Temperaturen, um die endgültigen Proben zu erstellen. Als sie die Struktur ihres neuen Materials unter leistungsstarken Mikroskopen und Röntgengeräten untersuchten, stellten sie fest, dass etwas Bedeutsames geschehen war. Das ursprüngliche Material hatte eine spezifische, verdrehte Kristallform, aber die neue Mischung hatte ihre Form vollständig verändert. Die Atome hatten sich in eine andere, geordnetere Struktur umstrukturiert. Diese Formänderung war nicht nur ein kosmetisches Detail; sie war der Schlüssel zu allem, was folgte.

Die unmittelbarste Verbesserung, die sie bei der Handhabung von Elektrizität feststellten, betraf den Energieverlust. Das Originalmaterial war berüchtigt dafür, Energie als Wärme zu verlieren, ein Problem, das als hoher dielektrischer Verlust bekannt ist. Es war, als versuche man, ein Signal durch einen Draht zu senden, der gleichzeitig ein Heizelement ist. Das neue Material verlor jedoch sehr wenig Energie. Die Forscher fanden heraus, dass der elektrische Widerstand des neuen Materials viel höher war, was bedeutete, dass es eine elektrische Ladung halten konnte, ohne sie wegzulecken. Dies war eine direkte Folge der kleineren Dysprosiumatome, die sich in das Kristallgitter pressten, die Bewegung der Atome einschränkten und die Pfade blockierten, über die Elektrizität normalerweise entweichen konnte.

Als das Team testete, wie das Material auf Magnetfelder reagierte, waren die Ergebnisse noch dramatischer. Das ursprüngliche Material besaß eine magnetische Struktur, die in einem Kreis spiralte und dadurch die gesamte Magnetisierung effektiv aufhob – ganz ähnlich wie zwei Personen, die in entgegengesetzte Richtungen an einem Seil ziehen und dabei mit gleicher Kraft ziehen. Das neue Material jedoch brach diese Spirale. Die Einführung der Dysprosiumatome störte das empfindliche Gleichgewicht und ermöglichte es den magnetischen Kräften, sich in eine einzige Richtung auszurichten. Das Ergebnis war ein Material, das einen klaren, messbaren magnetischen Zug zeigte und sich eher wie ein herkömmlicher Magnet verhielt, als es das Original jemals konnte. Dies war ein entscheidender Schritt, da es bedeutete, dass das Material nun in der Lage war, mit Magnetfeldern auf nützliche Weise zu interagieren.

Die vielleicht aufregendste Entdeckung war, wie die beiden Eigenschaften zusammenwirkten. Die Forscher legten ein Magnetfeld an das neue Material an und beobachteten, was geschah. Sie fanden heraus, dass das Magnetfeld tatsächlich die Art und Weise verändern konnte, wie das Material Elektrizität speichert. Als sie ein Magnetfeld von nur 0,15 Tesla anlegten, erhöhte sich die Fähigkeit des Materials, eine elektrische Ladung zu halten, merklich. Diese Wechselwirkung, bekannt als magnetoelektrische Kopplung, ist genau das Verhalten, das für fortschrittliche Sensoren und Speichergeräte benötigt wird. Das Material reagierte auf einen magnetischen Stoß mit einem elektrischen Zug, was bewies, dass die beiden Kräfte nun miteinander verknüpft waren, anstatt gegeneinander zu kämpfen.

Das Team untersuchte auch, wie sich das Material unter verschiedenen Bedingungen verhielt, um zu verstehen, warum es so gut funktionierte. Sie fanden heraus, dass das neue Material gleichmäßiger und stabiler war als das Original. Während das ursprüngliche Material eine komplexe und chaotische Erklärung erforderte, um sein elektrisches Verhalten zu beschreiben, folgte das neue Material einem einfachen, vorhersehbaren Muster. Diese Einfachheit deutete darauf an, dass die interne Struktur sauberer und konsistenter war. Die Forscher stellten auch fest, dass das neue Material kleinere Körner oder winzige Kristalle besaß, die dicht gepackt waren. Diese enge Packung half dabei, die elektrischen Lecks zu verhindern und trug zur allgemeinen Stabilität des Materials bei.

Am Ende bestätigte die Studie, dass der Austausch eines kleinen Teils von Wismut durch Dysprosium ein fehlerhaftes Material in ein vielversprechendes verwandelte. Die neue Substanz, die die Forscher BDFO nannten, zeigte eine signifikante Reduktion des elektrischen Leckverlusts, eine klare magnetische Reaktion und eine starke Verbindung zwischen ihren magnetischen und elektrischen Eigenschaften. Obwohl die Forscher einräumten, dass einige der feineren Details, wie das Material unter einem Magnetfeld oszilliert, noch nicht vollständig verstanden sind, waren die Hauptergebnisse eindeutig. Es war ihnen gelungen, ein Material zu erschaffen, das durch Elektrizität geschaltet und durch Magnetismus gezogen werden kann und das bei Raumtemperatur funktioniert. Dieser Erfolg legt nahe, dass Wissenschaftler durch die sorgfältige Abstimmung der Zutaten dieser Materialien die natürlichen Einschränkungen überwinden können, die die Entwicklung von Elektronikgeräten der nächsten Generation bisher zurückgehalten haben.