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

Materiaalkundigen zoeken al lang naar een stof die twee dingen tegelijk kan doen: zich gedragen als een magneet en zich gedragen als een elektrische schakelaar. Stel je een enkel materiaal voor dat een magnetisch veld vasthoudt, zoals een koelkastmagneet, maar dat ook aan- en uitgezet kan worden door een elektrische stroom, zoals de schakelaar van een lamp. Het vinden van een dergelijk materiaal is moeilijk omdat de krachten die magnetisme creëren en de krachten die elektrische schakeling creëren, meestal tegen elkaar vechten. Wanneer onderzoekers een materiaal vinden dat beide beheert, noemen ze dat een multiferroïcum. Deze materialen zijn de heilige graal voor de toekomstige elektronica en beloven apparaten die kleiner, sneller en energiezuiniger zijn. De meest bekende kandidaat voor deze taak, een verbinding genaamd bismuthferriet, heeft echter een groot gebrek. Hoewel het van nature op kamertemperatuur bestaat, lekt het elektriciteit als een zeef en zijn de magnetische eigenschappen zo zwak en verstrengeld dat ze elkaar opheffen, waardoor het onbruikbaar is voor echte gadgets.

Om dit op te lossen, besloten een team van onderzoekers onder leiding van R. Martinez en R. Palai aan de Universiteit van Puerto Rico een eenvoudige maar precieze experiment uit te voeren: ze mengden een ander element door het bismuthferriet om te zien of het de rommel zou opruimen. Ze kozen voor dysprosium, een zeldzaam aardelement dat bekend staat om zijn sterke magnetische aantrekkingskracht. Door bij een laboratoriumproces waarbij vloeibare chemicaliën in een vast poeder worden omgezet, enkele van de bismuthatomen zorgvuldig te vervangen door dysprosiumatomen, creëerden ze een nieuwe versie van het materiaal. Hun doel was om te zien of deze nieuwe mengeling de elektrische lekken kon stoppen en de magnetische krachten kon ontwarren, om een gebrekkig materiaal in een functioneel materiaal te veranderen.

Het team begon met het maken van het materiaal met behulp van een techniek genaamd sol-gel-synthese. Dit proces houdt in dat vloeibare chemicaliën bij elkaar worden gemengd totdat ze een dikke, geleiachtige substantie vormen, die vervolgens wordt gedroogd en verhit totdat het een vast poeder wordt. Ze persten dit poeder in schijven en bakten ze op hoge temperaturen om de uiteindelijke monsters te creëren. Toen ze naar de structuur van hun nieuwe materiaal keken onder krachtige microscopen en röntgenmachines, ontdekten ze dat er iets significants was gebeurd. Het oorspronkelijke materiaal had een specifieke, gedraaide kristalvorm, maar de nieuwe mengeling had de vorm volledig veranderd. De atomen hadden zichzelf herschikt in een andere, meer ordelijke structuur. Deze vormverandering was niet slechts een cosmetisch detail; het was de sleutel tot alles wat volgde.

De meest onmiddellijke verbetering die ze zagen, betrof hoe het materiaal met elektriciteit omging. Het oorspronkelijke materiaal stond erom bekend energie te verliezen als warmte, een probleem dat bekend staat als een hoog diëlektrisch verlies. Het was alsof men probeerde een signaal door een draad te sturen die ook een verwarming was. Het nieuwe materiaal verloor echter zeer weinig energie. De onderzoekers ontdekten dat de elektrische weerstand van het nieuwe materiaal veel hoger was, wat betekende dat het een elektrische lading kon vasthouden zonder deze weg te lekken. Dit was een direct gevolg van de kleinere dysprosiumatomen die in het kristalrooster werden geperst, waardoor de atomen niet meer zo vrij konden bewegen en de paden blokkeerden die elektriciteit gewoonlijk neemt om te ontsnappen.

Toen het team testte hoe het materiaal reageerde op magnetische velden, waren de resultaten nog dramatischer. Het oorspronkelijke materiaal had een magnetische structuur die in een cirkel spiraalde, waardoor de algehele magnetisme effectief werd opgeheven, vergelijkbaar met twee mensen die aan een touw trekken in tegengestelde richtingen met gelijke kracht. Het nieuwe materiaal verbrak echter deze spiraal. De introductie van de dysprosiumatomen verstoorde het delicate evenwicht, waardoor de magnetische krachten in één richting konden lijnen. Het resultaat was een materiaal dat een duidelijke, meetbare magnetische aantrekkingskracht vertoonde en zich meer gedroeg als een traditionele magneet dan het oorspronkelijke materiaal ooit deed. Dit was een cruciale stap, aangezien dit betekende dat het materiaal nu op een nuttige manier met magnetische velden kon interageren.

Misschien wel de meest opwindende ontdekking was hoe de twee eigenschappen samenwerkten. De onderzoekers brachten een magnetisch veld aan op het nieuwe materiaal en observeerden wat er gebeurde met de elektrische eigenschappen. Ze ontdekten dat het magnetische veld de manier waarop het materiaal elektriciteit opslaat, daadwerkelijk kon veranderen. Wanneer ze een magnetisch veld van slechts 0,15 Tesla toepasten, nam het vermogen van het materiaal om een elektrische lading vast te houden merkbaar toe. Deze interactie, bekend als magnetoelektrische koppeling, is exact het gedrag dat nodig is voor geavanceerde sensoren en geheugenapparaten. Het materiaal reageerde op een magnetische duw met een elektrische trek, wat bewees dat de twee krachten nu verbonden waren in plaats van tegen elkaar te vechten.

Het team bekeek ook hoe het materiaal zich onder verschillende omstandigheden gedroeg om te begrijpen waarom het zo goed werkte. Ze vonden dat het nieuwe materiaal uniformer en stabieler was dan het origineel. Waar het oorspronkelijke materiaal een complexe en slordige uitleg vereiste om zijn elektrische gedrag te beschrijven, volgde het nieuwe materiaal een eenvoudig, voorspelbaar patroon. Deze eenvoud suggereerde dat de interne structuur schoner en consistenter was. De onderzoekers merkten ook op dat het nieuwe materiaal kleinere korrels, of minuscule kristallen, had die dicht op elkaar gepakt zaten. Deze nauwe pakking hielp de elektrische lekken te voorkomen en droeg bij aan de algehele stabiliteit van het materiaal.

Uiteindelijk bevestigde de studie dat het vervangen van een klein deel van bismuth door dysprosium een gebrekkig materiaal transformeerde in een veelbelovend materiaal. De nieuwe substantie, die de onderzoekers BDFO noemden, vertoonde een significante vermindering van het elektrische lek, een duidelijke magnetische respons en een sterke verbinding tussen de magnetische en elektrische eigenschappen. Hoewel de onderzoekers toegaven dat sommige van de fijnere details over hoe het materiaal oscilleert onder een magnetisch veld nog niet volledig begrepen zijn, waren de belangrijkste bevindingen duidelijk. Ze hadden succesvol een materiaal gecreëerd dat bij kamertemperatuur door elektriciteit kon worden geschakeld en door magnetisme kon worden aangetrokken. Deze prestatie suggereert dat wetenschappers, door de ingrediënten van deze materialen zorgvuldig af te stemmen, de natuurlijke beperkingen kunnen overwinnen die de ontwikkeling van volgende generatie elektronische apparaten hebben tegengehouden.