Multiferroische ABO3-Übergangsmetalloxide:eine seltene Wechselwirkung von Ferroelektrizität und Magnetismus

Einführung

Magnetische Eigenschaften von Objekten im Nanobereich wurden als Konzept-Nanomagnetismus mit einem anfälligen Forschungsgebiet in allen wissenschaftlichen Bereichen bezeichnet. Die Eigenschaften und Anwendungen von magnetischen Nanopartikeln, Nanofilmen, Nanostäbchen und vielen mehr wurden früher auch in der Geologie als Ferrofluide genutzt und haben genügend Spielraum, um in Zukunft erforscht zu werden [1]. Diese fortschrittlichen Materialien wurden auch in anderen Aspekten verwendet, beispielsweise in Lautsprechern und im medizinischen Bereich zur Arzneimittelabgabe [2] oder sogar in der magnetischen Hyperthermie [3]. Die Speichermaterialien mit sehr geringer Größe haben normalerweise eine gute Effizienz gefunden, wenn sie in kleinen Geräten hergestellt werden, die die Abmessungen der Maschinen reduzieren. Diese kleinen Geräte aus magnetischen Nanopartikeln spielen eine wichtige Rolle in der Industrie und vor allem in biomedizinischen Anwendungen [4]. Diese Materialien wurden bei Geräten zur Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet, die die lokale Umgebung von Gewebezellen von Krebszellen oder Tumoren ermöglichen und visualisieren [5]. Diese magnetischen Nanopartikel haben einzigartige biomedizinische Anwendungen, insbesondere zur Behandlung von Erkrankungen des Zentralnervensystems, und müssen weiter erforscht werden, um innovative Ansätze in der Wirkstoffabgabe zur Behandlung von Erkrankungen des Zentralnervensystems (ZNS) zu finden [6].

Durch das angelegte Magnetfeld kann eine spontane Magnetisierung in einer schleifenartigen Struktur namens Hysterese erzeugt werden. Diese besondere Eigenschaft von Materialien hat den Namen ferromagnetischer Materialien gegeben, und diese Eigenschaft von Materialien stammt aus den Elektronenspins und ihrer Umlaufbewegung um den Kern. In Abwesenheit eines externen Magnetfelds sind die magnetischen Momente zufällig orientiert, aber wenn ein Feld angelegt wird, werden diese Spins in einer bestimmten Ordnung und einer kleinen Gruppe von Spins festgehalten, um domänenähnliche Strukturen zu bilden. Die Strukturen und die typische Hystereseschleife dieser magnetischen Materialien sind in Abb. 1 dargestellt. Übergangsmetalle wie Nickel, Kobalt, Chrom und Eisen haben magnetische Momente, die aus Spinorientierungen stammen und auch einen orbitalen Beitrag zum Magnetfeld haben [7]. Diese Wechselwirkungen zwischen den Spins, die in einer bestimmten Reihenfolge bei einer bestimmten Temperatur unterhalb der Curie-Temperatur (T_c ) und oberhalb dieser Temperatur überwinden ferromagnetische Domänen die thermische Energie [8]. Die einzigartige Eigenschaft der ferromagnetischen Eigenschaft besteht darin, eine Hystereseschleife zu haben, die durch die Existenz einer Sättigungsmagnetisierung (M_s ) oberhalb dessen keine weitere magnetische Eigenschaft durch die Stärke des angelegten Magnetfelds erhöht wird. Ein weiteres Merkmal ferromagnetischer Materialien, die remanente Magnetisierung (M_r ), speichert auch ohne angelegtes Magnetfeld, und diese Eigenschaft hängt mit der Gedächtnis- oder Speicherkapazität von Materialien zusammen. Außerdem werden diese ferromagnetischen Materialien mit dem Koerzitivfeld (H_c ), das die Größe der umgekehrten Richtung des Magnetfelds misst, um seinen gesamten Magnetisierungseffekt zu beseitigen. Diese drei Eigenschaften sind von größter Bedeutung bei der Ermittlung der potentiellen Phase von ferromagnetischem Material. Es gibt eine Konkurrenz zwischen magnetostatischen und anisotropen Austauschenergien, und es gibt die Wechselwirkungsdomänen langer und kurzer Ordnung [9].

Ferromagnetische Hystereseschleife und Auswirkung der Ausrichtung der magnetischen Domänen auf das Anlegen eines Magnetfelds

Die ferroelektrische Eigenschaft [10], die durch das Vorhandensein einer Polarisation in Gegenwart eines angelegten elektrischen Feldes gekennzeichnet ist, ist analog zu der ferromagnetischen Eigenschaft. Der Unterschied zwischen ferroelektrisch und ferromagnetisch liegt in der Struktur der Materialien, aber nicht in den Atomen, daher ist Ferroelektrik eine intrinsische Eigenschaft. Diese Eigenschaft hängt von der gesamten Struktur und Symmetrie der Verbindungen sowie der Ordnung, Unordnung und Verdrängung der Ionen ab, die den Mechanismus der Ferroelektrizität begründen [11,12,13]. Die strukturierte Polarisation hängt mit der ferroelektrischen Eigenschaft zusammen, die zu der Hystereseschleife führt, die aus elektrischen Domänen gebildet wird. Es gibt eine bestimmte Temperatur, unterhalb derer die Phasenänderung von paraelektrisch zu ferroelektrisch als Übergangstemperatur bezeichnet wird, die wiederum von der Beschaffenheit der Materialien abhängt. Diese Minidomäneneigenschaften der Hysterese sind in Fig. 2 gezeigt und stimmen in gewisser Weise mit der magnetischen Hystereseschleife überein. Durch Auftragen eines Graphen zwischen elektrischer Polarisation gegen angelegtes elektrisches Feld wurde eine schleifenartige Struktur mit Sättigungspolarisation (Ps) und remanenter Polarisation (Pr) gebildet. und Koerzitivfeld (Hc) [14]. Hier beginnt sich die Domäne in positiver Feldrichtung auszurichten, was zu einer schnellen Polarisation führt und erreicht die maximale Polarisation, die Sättigungspolarisation genannt wird, und darüber hinaus gibt es keinen weiteren Anstieg des Polarisationswertes. Wenn das angelegte Feld umgekehrt wird, neigt die Polarisation außerdem dazu, abzunehmen und erreicht einen bestimmten Wert, bei dem das angelegte Feld Null ist. Die remanente Polarisation (Restpolarisation im Material, wenn das elektrische Feld vollständig entfernt wird) ist das Maß für die Retention oder Remanenz der Materialien, die speziell für die Speicher- und Speicherkapazität verwendet werden. Um eine Polarisation von Null zu erreichen, muss das angelegte elektrische Feld weiter verringert werden. Die Stärke des angelegten elektrischen Feldes, bei der die gesamte Polarisation null wird, wird als Koerzitivfeld bezeichnet. Diese Werte sind Eigenschaften der Hysterese, die von der Struktur, Natur und Größe der ferroelektrischen Materialien abhängt [15].

Hysterese (P-E)-Kurve in ferroelektrischen Materialien

Multiferroisch:eine einzigartige und neuartige Eigenschaft [16]

Der Begriff multiferroisch wurde 1994 von H. Schmidt eingeführt [17], und nach der neuesten Definition besitzen multiferroische Materialien gleichzeitig zwei oder mehr als zwei ferroische Phasen zusammen in einem einzigen Material [18]. Diese Materialien wurden Gegenstand der Forschung, um die chemische Natur zu untersuchen und die Festkörperphysik zu studieren [19]. Die umfangreiche Forschung in diesem Bereich hat dazu beigetragen, viele neue Ideen für die Verwendung in Geräteanwendungen zu entwickeln. Eine der Ideen besteht darin, multiferroische Bits einzuführen, die Informationen in Form von Magnetisierung und Polarisation speichern können. Es gibt nur wenige Materialien, die zwei oder mehr als zwei ferroische Eigenschaften aufweisen und daher sind die multiferroischen Materialien selten [20]. Dieser Trend zu Materialien mit einer oder mehr als zwei Eigenschaften ist in Abb. 3 dargestellt, wo deutlich darauf hingewiesen wird, dass es nur sehr wenige Materialien gibt, die das multiferroische Verhalten zeigen [21]. Aus diesem Grund ist dieses Forschungsfeld eine Herausforderung für die heutige Welt und muss fokussiert werden [22]. Die seltene Existenz von Multiferroika hängt mit dem Mechanismus des ferroelektrischen Verhaltens zusammen, das leere d-Orbitale erfordert, während Ferromagnetismus teilweise gefüllte d-Orbitale benötigt [23, 24]. Um diese Art von Kontroverse zu kompensieren und die multiferroische Natur zu erreichen, muss die Struktur der Materialien so abgestimmt werden, dass sich ein Atom aus dem Zentrum bewegen kann, um elektrische Dipole zu bilden, und sollte mit magnetischen Momenten in Beziehung gesetzt werden. Dies führt entweder zu einem alternativen Mechanismus für Magnetismus oder Ferroelektrizität. Es gibt noch bestimmte Dinge, die auf der Nanoskala erforscht werden können. Die multiferroische Natur nanostrukturierter Materialien kann neue Horizonte bei der Herstellung kleiner effizienter Geräte wie Computerchips und vielem mehr eröffnen. Die neuere Forschung konzentriert sich auf nano-multiferroische Materialien für Herstellung, Design und Anwendungen. Die ferroelektrischen Domänenwandstrukturen und die Position magnetischer Ionen spielen eine wichtige Rolle, um die neue Funktionalität für die Entwicklung neuartiger Bauelemente zu erhalten. Die Bildung, das Engineering und die Anwendung durch Veränderung der Strukturen können verwendet werden, um die Informationen in die neuesten Geräte zu übertragen. Multiferroische Materialien, die zur vierten ferroischen Ordnung, der Ferrotoroidizität, führen [25, 26] und auch die Domänenwände der elektrischen Leitfähigkeit bestimmen, die sich von Massenmaterialien in Bezug auf Gedächtniseigenschaften unterscheiden [27]. Mit Hilfe von Filmabscheidungstechniken wurde auch eine ganz neue interessante Sache beobachtet, dass das elektrische Feld den Magnetismus bei Raumtemperatur ergibt [28]. Obwohl die multiferroische Studie bei allen Forschern weltweit auf beachtliches Interesse gestoßen ist, gibt es immer noch einen schlechten Ansatz zur Kommerzialisierung der multiferroischen Materialien, die in naher Zukunft beschleunigt werden müssen.

Allgemeine Klassifizierung multiferroischer Materialien. In Anlehnung an Eerenstein et al. [21]

Verschiedene Klassen multiferroischer Verbindungen auf Basis der Struktur

Wismutferrite (BiFeO₃ Verbindungen)

Wismutferrit-ternäre Oxide und die abgeleiteten Verbindungen sind Perowskitstrukturen und sind vielversprechende multiferroische Verbindungen [29]. Dieses ABO₃ Perowskit-Wismut-Ferrit-Verbindung hat Ferroelektrizität vom einsamen Elektronenpaar am Zentralmetall A (Bi ³⁺ )-Ion, das die Position und die Symmetrie der verlorenen Verbindung verzerrt, die die ferroelektrische Eigenschaft bereitstellt [30]. Das Kation an der B-Position ist Fe ³⁺ Ion, das klein ist und ungepaarte d-Elektronen hat, die die magnetischen Eigenschaften von BiFeO₃ . ergeben Verbindung wie in Abb. 4 gezeigt [31]. Hier kann geschlossen werden, dass die Polarisation durch Bi ³⁺ . verursacht wird einsame Elektronenpaare in 6s ² . vorhanden Orbitale und magnetische Eigenschaften entstehen durch Fe ³⁺ Ionen. Die Herstellung von BiFeO₃ Nano-Verbindung kann zu einer neuen Richtung der Forschung führen, die dazu beitragen wird, interessante multiferroische Materialien zu bauen. Es gab Probleme mit Leckströmen, die die elektrischen Parameter von Bismutferriten reduzierten und später durch die Zugabe von Strontium-Zirkonium-Ionen in das BiFeO₃ . verbessert wurden -BaTiO₃ Verbundstoffe. Darüber hinaus wurden auch Phasenstruktur, Oberflächentextur und elektrische Eigenschaften systematisch untersucht [32]. Am ferroelektrischen Perowskit BiFeO₃ . wurde viel geforscht für viele Anwendungszwecke, wurde aber trotz seiner großen theoretischen Restpolarisation selten auf die Energieumwandlung winziger mechanischer Bewegungen in Elektrizität untersucht. Aber es gab einen Bericht, der zeigte, dass BiFeO₃ Nanomaterialien haben ein solches Potenzial für bleifreie piezoelektrische Nanogeneratoren im großen Maßstab und diese Nanopartikel wurden durch einen Sol-Gel-Prozess synthetisiert [33]. Bi₅ Ti₃ FeO₁₅ (BTF) multiferroische bleifreie Nanofasern wurden durch Elektrospinnen hergestellt und weisen einen effektiven mikropiezoelektrischen Koeffizienten mit gutartiger Mikroferroelektrizität auf [34]. Außerdem wurde das Kopplungsverhalten zwischen Makroferroelektrik und Magnetoelektrikum erstmals durch Nichtsintern und Pressen festgestellt und ist kleiner als Bi₅ Ti₃ FeO₁₅ Keramik. Die magnetischen Momente von BiFeO₃ wurden durch zwei Fe-Ionen, die sich in der Zelle in entgegengesetzter Richtung drehten, gegenseitig ausgeglichen, und die Bandlücke wurde um 20.5 eV gefunden [35]. Die Zustandsdichte wurde analysiert, was darauf hinweist, dass das Valenzband aus Fe-d- und O-p-Zuständen besteht, während das Leitungsband aus Fe-d- und Bi-p-Zuständen besteht. Die dielektrische Funktion, Absorption, Brechungsindex, Extinktionskoeffizient, Reflektivität und Elektronenenergieverlust wurden auch für BiFeO₃ . berichtet .

a Die Perowskit-Kristallstruktur von BiFeO₃ adaptiert von Seidel et al. [28]. b Verzerrte Perowskitstruktur nach Ederer und Spaldin [31]

Yttrium-Magnetit (YMnO₃ ) Verbindungen

Es scheint, dass YMnO₃ Verbindung hat den gleichen Perowskit ABO₃ Typstruktur, aber es hat eine andere Kristallstruktur und elektronische Anordnungen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Perowskiten haben hexagonale Manganite ihr Mn ³⁺ Ionen mit 5-facher Koordination, lokalisiert im Zentrum eines MnO₅ trigonales Doppelprisma. R-Ionen hingegen haben im Gegensatz zur kubischen Koordination in Perowskiten eine 7-fache Koordination. Die Schicht von Y ³⁺ Ionen unterscheidet das zweidimensionale MnO₅ Biprisma wie in Abb. 5 gezeigt, das YMnO₃ . darstellt Elementarzelle mit ionischen Strukturen. In YMnO₃ . wurde ein neues Konzept der antiferromagnetischen Ferroelektrizität gefunden , und die geometrische Struktur führt zu den ferroelektrischen Eigenschaften, die mit der magnetischen Eigenschaft von YMnO₃ . gekoppelt sind Verbindung [36]. Die Neigung von MnO₅ trigonales Biprisma führt zum Verlust der Inversionssymmetrie in der Struktur, was die ferroelektrischen Eigenschaften von YMnO₃ . hervorhebt -Typ-Verbindungen [37]. Die Kopplung zwischen Ferroelektrizität und magnetischer Ordnung ist ziemlich unterschiedlich, und dies ist der Hauptgrund, warum eine magnetoelektrische Kopplung in solchen Materialien nicht möglich war. Aber die Ionenbewegungen im kippschichtigen MnO₅ Polyeder führen zu dem Nettopolarisationseffekt [38, 39], wie in Abb. 6 gezeigt. Es wurde auch berichtet, dass hexagonales YMnO₃ Nach der Sol-Gel-Methode hergestellte Nanofasern und die hergestellten Spinnfasern wurden bei 125 °C mit einheitlichem Durchmesser getrocknet [40]. Bei einer Temperaturerhöhung der präparierten Probe ergab sich eine ausreichende Änderung der Morphologie und des Durchmesserbereichs mit homogenen chemischen Bestandteilen über ihre Länge.

Kristallstruktur von YMnO₃ mit Schichten von MnO₅ Polyeder und Y-Atom zwischen den Schichten. Angepasst von Wadati et al. [38]

Dreidimensionale schematische Ansicht von YMnO₃ in den polarisierten Staaten. In Anlehnung an Spaldin et al. [39]

Seltene Erden (RMO₃ , M =Fe, Cr, Mn ) Multiferroische Verbindungen

Die neueste Forschung ergab, dass ternäre Oxide von Seltenerdmetallen, die Eisen-, Mangan- und Chromelemente an der B-Stelle enthalten können, multiferroische Eigenschaften aufweisen, bei denen schwache ferromagnetische Eigenschaften von ferroelektrischem Verhalten bei Raumtemperatur begleitet werden [41]. Bei RFeO₃ Verbindungen, die Struktur solcher Verbindungen ist orthorhombische Elementarzellen [42] mit verzerrter Perowskitstruktur. Diese Verzerrung ist nur auf das Seltenerd-Ion R ³⁺ . zurückzuführen Positionen und das Vorhandensein von Fe ³⁺ Ionen in einer oktaedrischen Umgebung. Solche Strukturen haben FeO₆ Oktaeder in der Dreidimensionalität, einer der O ^2- Ionen bilden eine gemeinsame Spitze zwischen den beiden Oktaedern, und die beiden Eisenatome bilden die Superaustauschbindung durch O ^2- Ionen. Bei diesem Konzept sind die Fe-Atome leicht verkantet, was zu den schwachen ferromagnetischen Wechselwirkungen führt [43]. Da die RFeO₃ Verbindungen in die Familie der zentrosymmetrischen Ferrite eingeordnet werden, existiert noch die ferroelektrische Eigenschaft bei Raumtemperatur. Dieses ungewöhnliche Verhalten kann mit der Literatur erklärt werden, in der ein SmFeO₃ . beschrieben wurde Verbindung, bei der die nicht-äquivalenten Spins für die induzierte ferroelektrische Eigenschaft verantwortlich sind, und erhielt den Namen antiferromagnetische ordnungsinduzierte Ferroelektrizität [44], der in Abb. 7 gezeigt ist.

Kristallstruktur und magnetische Spektren von orthorhombischem SmFeO₃ . In Anlehnung an Scoot et al. [44]

Die zweite Klasse von multiferroischen Seltenerdoxiden ist RCrO₃ . auf Chrombasis Verbindungen. Anstelle von FeO₆ Struktur, gegenphasiges Kippen von CrO₆ Oktaeder, wie in Abb. 8 gezeigt, waren in orthorhombischen (RCrO₃ , R =Y, Gd, Tb) multiferroische Verbindungen. Die Polarisation der ferroischen Natur ist mit der magnetischen Ordnung der Cr-Ionen-Untergitter gekoppelt, und die bekannte Wechselwirkung Dzyaloshinskii-Moriya (DM) führt zu den schwachen ferromagnetischen Eigenschaften von Cr ³⁺ Ionen [45]. GdCrO₃ Verbindungen, das magnetische Moment von Cr-Ionen, sind antiparallel zu ihren nächsten Kationen und werden durch eine G-Konfiguration dargestellt. Die Ferroelektrizitätsklasse von RCrO₃ Verbindungen ist immer noch nicht richtig erklärt, obwohl angenommen wurde, dass eine außermittige Verzerrung für den Ursprung des ferroelektrischen Verhaltens vorgeschlagen wurde. Diese Art von Mechanismus wurde in Bulk-, Nano-, dünnen Filmen von RCrO₃ . beschrieben Verbindungen [46,47,48]. Bei angelegtem Magnetfeld kann die Polarisationsstärke im Fall von GdCrO₃ . variiert werden Verbindungen. YCrO₃ ist orthorhombisch, aber immer noch ferroelektrisch, da die Cr-Atome aus der Position in eine bestimmte Richtung verschoben werden, was zur Polarisation führt. Dies zeigt das neue Konzept, das durch viele ungewöhnliche Eigenschaften multifunktionalisierter Materialien visualisiert werden kann.

Verzerrte orthorhombische Perowskit-Kristallstruktur von RCrO₃ . Angepasst von Fender et al. [45]

Kubisches GdFeO₃ Partikel über einen einfachen hydrothermalen Syntheseweg und seine Photolumineszenz und magnetischen Eigenschaften wurden untersucht [49]. Durch die Untersuchung der Photolumineszenz und magnetischen Eigenschaften wurde das orthorhombische kubische GdFeO₃ Partikel zeigten eine sehr gute dotierte Lumineszenz, die unterschiedlich farbiges Licht emittiert, wenn sie mit verschiedenen Seltenerdelementen dotiert sind. Das GdFeO₃ Partikel enthalten paramagnetische Eigenschaften. Es könnte ein ausgezeichnetes Lumineszenz- und Magnetmaterial sein. Hohe magnetoelektrische Kopplung durch Verwendung eines Einkristalls von DyFeO₃ und GdFeO₃ wurde bereits berichtet, aber die multiferroische Natur tritt nur bei sehr niedrigen Temperaturen auf [50]. Festkörper-Pulversynthese von GdFeO₃ und GdCrO₃ beinhaltet das aufwendige mechanische Mahlen der benötigten Oxide (Gd₂ O₃ , Fe₂ O_3, und Cr₂ O₃ ) bei einer ausreichend hohen Kalzinierungstemperatur ∼ 1800 °C. Eine einfache sonochemische Methode zur Synthese von Nanopartikeln einer Reihe von Orthoferriten der Seltenen Erden wurde beschrieben. Dieser sonochemische Prozess ermöglicht die Synthese von Nanopartikeln der Seltenerd-Orthoferrite bei einer wesentlich niedrigeren Kalzinierungstemperatur unter Verwendung einfacher Vorstufen, Eisenpentacarbonyl und Seltenerdkarbonaten. Besonders hervorzuheben ist, dass die Cogeneration der Granatphase nicht beobachtet wurde, wie es bei den herkömmlichen Methoden üblich ist. Die drastische Reduzierung der Kalzinierungstemperatur könnte auf die Ultraschallerzeugung von amorphem Eisenoxid aus Fe(CO)₅ . zurückzuführen sein . Nanogroßes GdFeO₃ , ErFeO₃ , TbFeO₃ , und EuFeO₃ wurden nach dieser Methode hergestellt und auch ihre magnetischen Eigenschaften wurden eingehend untersucht [51]. Hochkristalline Orthoferrit-Nanopartikel (Typ La_1−x .) Gd_x FeO₃ , mit x = 0 bis 1) wurden nach dem Selbstverbrennungsverfahren hergestellt. Unser besonderes Interesse gilt der Charakterisierung der strukturellen und magnetischen Eigenschaften bestimmter Verbindungen mit einem starken Schwerpunkt auf der Rolle von Gd ³⁺ Ionen bei der Modulation der Struktur und der magnetischen Reaktion [52]. Perowskite der Zusammensetzung MFeO₃ sind eine Klasse von Materialien mit potentiellen Anwendungen wie Katalysatoren [53], Sensoren, [54] Halbleiter und [55] magnetische und magnetooptische Materialien [56]. Die phasenselektive Synthese von LnFeO₃ (Ln =Seltene Erden) ist eine Herausforderung, da unerwünschte Phasen nebeneinander existieren [57, 58]. Durch sichtbares Licht gesteuertes Gd₂ Ti₂ O₇ /GdCrO₃ Verbundstoff für die Wasserstoffentwicklung wurde berichtet, und eine Reihe von Gd₂ Ti₂ O₇ /GdCrO₃ Verbundwerkstoffe werden durch Festkörperverbrennung hergestellt. Die photokatalytische Aktivität der Komposite wird im Hinblick auf die Wasserstoffproduktion ohne Verwendung eines Cokatalysators unter Beleuchtung mit sichtbarem Licht untersucht. Die Geschwindigkeit der Wasserstoffbildung wird durch das photokatalytische Aktivitätsmessgerät und Gaschromatographie (GC) gemessen. Die höchste Effizienz wird über dem zusammengesetzten GTC beobachtet (Cr:Gd:Ti = 1:1:1). Auf der Grundlage von Photostrommessungen und PL wurde ein Mechanismus für die verstärkte photokatalytische Aktivität diskutiert [59]. Ungewöhnliche magnetische Eigenschaften von nanokristallinem Orthoferrit, GdFeO₃ , synthetisiert durch konventionelle Festkörperreaktion (SSR) Route basierend auf der stöchiometrischen Mischung von Fe₂ O₃ und Gd₂ O₃ wurden im Bericht [60] gefunden. Die polykristallinen Proben von GdFe_1-x Ni_x O₃ (x = 0.0, 0.1) werden durch Festkörperreaktionsroute hergestellt. Es wurde auch festgestellt, dass Ni ³⁺ Ionensubstitution führt zu einer Gitterkontraktion und einer Erhöhung der Dielektrizitätskonstante, des Tangensverlustes und der Wechselstromleitfähigkeit [61].

Die einzigen verfügbaren magnetischen Studien konzentrierten sich auf die Mößbauer-Spektrometrie, um feldinduzierte SR-Übergänge in DFO zu untersuchen [62, 63]. Unter diesen Verbindungen ist DFO die einzigen Orthoferrite der Seltenen Erden, die den Morin-Übergang bei 35 K zeigen, gefolgt von drei anomalen Übergängen bei den Temperaturen 77 K, 130 K und 270 K, die wahrscheinlich auf den feldinduzierten Spin-Neuorientierungseffekt (SR) zurückzuführen sind aus der konkurrierenden magnetischen Wechselwirkung zwischen Dy ³⁺ und Fe ³⁺ Ionen. Es wurde über die mikrowellenunterstützte Synthese von Seltenerdchromiten und physikalische Eigenschaften berichtet. Magnetisierungsmessungen zeigten, dass die Neel-Temperatur für antiferromagnetisches Cr ³⁺ -Cr ³⁺ Bestellung hängt stark vom RE ³⁺ ab Ionenradius und eine reiche Vielfalt unterschiedlicher magnetischer Spinwechselwirkungen existiert. Auf gesinterten Pellets die elektronischen Unterschiede an der Korngrenze und dem inneren Schüttgut, was die beiden dielektrischen Relaxationen ergibt, die durch dielektrische Spektroskopie überwacht werden. Röntgenbeugung, Raman-Spektroskopie und temperaturabhängige dielektrische Permittivitätsdaten weisen nicht auf eine potentielle Nichtzentrosymmetrie im Kristall oder eine begleitende Ferroelektrizität hin. Es wurden systematische Anstrengungen unternommen, um eine vollständige Serie von (RE)CrO₃ . vorzubereiten Verbindungen, die in der Struktur YCrO₃ . ähneln können Verbindung. Es wurde über eine detaillierte Untersuchung der magnetischen und dielektrischen Eigenschaften und ihrer Korrelationen mit besonderem Fokus auf mögliches beobachtetes magnetoelektrisches oder multiferroisches Verhalten berichtet [64]. Die Ladungstransporteigenschaften in (RE)CrO₃ Es wurde behauptet, dass Materialien p-Halbleiter mit Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, Methanol, Ethanol und mehreren Gasen aufweisen, was für potenzielle Sensoranwendungen nützlich ist. [65, 66]. Darüber hinaus ist LaCrO₃ und seine dotierten Varianten sind Kandidaten für die Anwendung als miteinander verbundene Materialien in Festoxidbrennstoffzellen [67, 68] und als Katalysatoren für die Kohlenwasserstoffoxidation [69]. Orthoferrite der Seltenen Erden vom Typ LnFeO₃ (Ln ¼ Gd, Dy, Sm) kristallisieren die orthorhombisch verzerrte Perowskitstruktur. Das Vorhandensein einer elektrischen Polarisation im schwach ferromagnetischen Zustand von DyFeO₃ wurde in einer polykristallinen Probe berichtet, [70] wobei die Ferroelektrizität unterhalb der Spin-Neuorientierungstemperatur verschwindet. Die Bedeutung des lokalen Felds, das auf Dy-Ionen durch das schwache ferromagnetische Moment des Fe-Untergitters im G₄ . induziert wird Struktur wird durch die Nullfeld-[71] Fe-Mossbauer-Spektren von DyCrO₃ . offenbart . Magnetische Suszeptibilität schwerer Seltenerd-Orthochromite bei höheren Temperaturen [72] und magnetokalorische Eigenschaften von Seltenerd-substituiertem DyCrO₃ wurden ebenfalls berichtet [73]. Die detaillierte Untersuchung der magnetischen Wechselwirkung wurde in DyCrO₃ . gefunden Bulk-Pulver [74] unter Verwendung der hydrothermalen Synthesemethode. Detaillierte Studien zu nanokristallinem CeCrO₃ zeigten Multifunktionalitäten wie Antiferromagnetismus, Relaxorverhalten und eine optische Bandlücke im sichtbaren Bereich. Diese neu entwickelte Syntheseroute eröffnet die immensen Möglichkeiten der Herstellung des bisher unbekannten Ce ³⁺ -basierte Mischoxide, analog zu anderen Seltenen Erden (RE ³⁺ ) Gegenstücke [75]. Der feldinduzierte metastabile Zustand mit elektrischer Polarordnung tritt bei den magnetischen Ordnungstemperaturen von Cr ³⁺ . auf Ionen in den schwach ferromagnetischen Orthochromiten der Seltenen Erden (RCrO₃ , wobei R ein magnetisches Seltenerd-Ion ist), mit einer relativ großen elektrischen Polarisation von ~ 0.2–0.8 μC/cm ² , beginnend bei relativ hohen Temperaturen (~ 120–250 K), die den Neel-Temperaturen des Cr-Subsystems entsprechen [76]. Statische und dynamische magnetische Eigenschaften und Einfluss der Oberflächenchemie auf die Morphologie und Kristallinität von DyCrO₃ Nanoplättchen wurden berichtet [77].

Es wurde auch berichtet, dass Orthoferrite in Nanogröße als Photokatalysatoren bei der Zersetzung von Wasser oder dem Abbau von Farbstoffen unter Lichteinstrahlung verwendet werden können. Dieses Forschungsgebiet wurde durch das Aufkommen einer neuen Klasse von Oxiden mit interessanten multiferroischen und magnetoelektrischen Eigenschaften aufgrund magnetisch induzierter Ferroelektrizität erheblich erweitert. Interessanterweise handelt es sich bei diesen Materialien um einfache Übergangsmetalloxide, von denen die meisten die Perowskitstruktur aufweisen. Neuartige Merkmale multiferroischer und magnetoelektrischer Ferrite und Chromite mit magnetisch angetriebener Ferroelektrizität. Es hat sich gezeigt, dass fast alle Oxidhalbleiter-Photokatalysatoren unter UV-Licht-Bestrahlung stabil, aber aktiv sind. Die Entwicklung einer allgemein milden Methode zur Herstellung von Seltenerdchromiten mit einheitlicher Kristallgröße und -form ist für weitere Anwendungen im Zusammenhang mit Einkristallen wichtig. Die mikrometergroßen Einkristalle behalten im Vergleich zu ihren entsprechenden polykristallinen Gegenstücken, die mit hochtemperaturbehandelten Vorläufern gewonnen wurden, mehr von den Volumeneigenschaften. Das Verständnis von Kristallstrukturen und Bandstrukturen komplexer Metalloxide ist ohne Zweifel ein Schlüsselaspekt, um neue oder verbesserte Funktionalitäten zu erforschen. Für Niedertemperaturreaktionen, insbesondere die topochemischen, ist das Verständnis der Faktoren, die die endgültigen Strukturen während einer Reaktion steuern, wie die Zwischenphase und der Ionenwanderungsweg, gleichermaßen wichtig, indem sowohl kinetische als auch thermodynamische Überlegungen berücksichtigt werden. Darüber hinaus werden solche Erkenntnisse, wie sie hier durch die Dünnschichtarbeiten demonstriert werden, definitiv dazu beitragen, neue Ionenleiter für Tieftemperaturanwendungen zu entwickeln. Die makroporösen Wände bestehen aus Orthoferrit-Nanopartikeln der Seltenen Erden, und diese hierarchisch porösen Materialien zeigen hohe katalytische Aktivitäten für die CO+NO-Reaktion, und NO kann vollständig in N₂ . umgewandelt werden bei Temperaturen von bis zu 350 °C, was ihr Potenzial bei der katalytischen Umwandlung von Autoabgasen und anderen katalytischen Bereichen zeigt. Diese Synthesestrategie ist eine einfache Methode zur Herstellung hierarchischer poröser Materialien und kann uns eine Richtlinie für die Synthese funktioneller Materialien mit weiteren katalytischen Anwendungen geben [78]. Mit der Entwicklung der Automobilindustrie sind Autoabgase zu einer der Hauptquellen der Luftverschmutzung geworden. Die Kontrolle der Schadstoffbelastung durch Autoabgase ist für die Verringerung der Luftverschmutzung von besonderer Bedeutung. TbFeO₃ compounds which possess space group Pbnm may have antiferromagnetic interactions by the presence of Fe spin ions in one direction and the ferromagnetic in other direction with the (TN) Neel temperature of 650 K [79, 80]. The work that has been found for synthesis characterization and the properties of TbFeO₃ compound needs to be explored much more as compared to other rare earth oxide ferrites [81,82,83]. The choice to select the atom at A site has become an important concern and may be related with leakage and the loss of multiferroic nature. The structures and magnetic phase transitions in the Mn-doped orthoferrite TbFeO₃ studied by neutron powder diffraction have been reported [84].

Ternary Metal Oxide Nano-Material Applications

The application of multiferroic materials is expected from the data values of polarization and magnetization with the existence of magnetoelectric coupling. This could be the main reason that these interesting materials have to be considered in today’s research of solid state physics and chemistry and may utilize in electronic memory and optical transducer devices [85,86,87]. These materials not only possess the memory capacity but may also have sensing properties with magnetic and electronic nature. Multiferroic materials need to be explored further for novel devices by reducing thermal noise for the use of capacitive reading and can replace the magnetoresistive materials [88]. These magnetic-related properties are more sensitive than conventional resistive measurements that allow the magnetic bit density and posses four state memory property [89] which was demonstrated by the encoded information with the help of polarization and magnetization that too measured by resistance measurements. Many nanostructured and nanoscale coating materials have been suggested as possible friction modifying agents, such as carbides, nitrides, metals, and various ceramics. In conclusion, nanotechnology helps to create vehicles possessing properties to endure the harsh conditions of space. Both magnetic and electric properties have the advantage to store data that could be written electrically and read magnetically. This advantages of multiferroic avoid the generation of large load fields to write and read problems [90]. Fe-RAMS devices have been designated using the concept of ferroelectric writing and ferromagnetic reading, and the retained non-volatile memory has been increased thousand times and even more by the use of the same materials at nano-regime. Thus, nanomaterials having such multiferroic properties have tremendous applications in all devices such as memory, sensory, and optical. The size-dependent unconventional multiferroic compounds in nanodots having emerging magnetic properties along with ferroelectric properties were reported. The nanometric size with nonstoichiometric induces the ferromagnetism with host ferroelectric phase and is susceptible to surface morphology that enables to control the properties at the nanoscale [91]. The magnetoelectric coefficients increase on reducing the particle size and could be related with high strain and suppression of spin spiral structure. The electric and magnetic properties of Bi_0.90 Tb_0.10 FeO₃ nanoparticles depend on the particle sizes and were revealed high as the particle size decreases [92]. In case of Bi₂ Fe₄ O₉ polycrystalline, the magnetic and ferroelectric properties were investigated with different grain size [93]. Grain size effects the decrease of the ferromagnetic part, but the antiferromagnetic component part dominates as the size increases and shifts the Neel temperature to a higher value. Ferroelectric properties lead to non-volatile data storage devices and high demand in ultrafast electronic instruments which are portable and have high density to storage with less power consumption. Therefore, it is essential to fabricate and to develop such multiferroic nanomaterials which have high sensitivity and efficiency and have a bulk of applications in all segments of machines.

Schlussfolgerung

Multiferroic ABO₃ type compounds have been focused in the present review based on their structure, composition, and contribution to ferroelectric and ferromagnetic properties. The various factors that improve or decrease the multiferroic properties were taken into consideration. The significant efforts for the synthesis and development of ABO₃ -based perovskite multiferroic compounds were also mentioned. We attempted to give the outline of specific ternary metal oxide multiferroic compounds that may include bismuth ferrites, yttrium magnates, and rare earth oxides. These ABO₃ multiferroic compounds have a lot of applications such as in microelectronic devices, sensors, and storage devices. It is not impossible but rather it is hard to get the breakthroughs of multiferroic compounds in the field of commercialization, and this kind of expectation is expected with the help of research that these productive insights will come soon. It could take further time to develop new materials to achieve the applications in other areas such as magnetoelectric sensors and magnetometers or antennas. There is always a room for improvement of these multiferroic materials and has a lot of market potential in magnetic anomaly detection, navigation, and biomagnetic sensing. If these multiferroic materials are successfully prepared, developed and then commercialized, it will be a breakthrough or huge impact on everyday life and people may choose to stay in academia, join industry, or even start up new businesses.

Abkürzungen

AC:

Alternating current

DFO:

Dysprosium ferrite oxides

DM:

Dzyaloshinskii-Moriya

GC:

Gas chromatography

Hc:

Zwangsfeld

M_r :

Remanent magnetization

MRT:

Magnetresonanztomographie

M_s :

Sättigungsmagnetisierung

Pr:

Remanent polarization

Ps:

Saturation polarization

RE:

Rare earth

SR:

Spin reorientation

SSR:

Solid state reaction

TC:

Curie temperature

TN:

Neel temperature