2.2. Получение тонких пленок феррита висмута

Особенностью данного вещества является то, что BiFeO3 может быть получен при нормальном давлении, остальные синтезируются при повышенном давлении. Объемные образцы LaxBi1-xFeO3 (x=0.03, 0.06, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5) спекались в течение 1 минуты при температуре 973K и под давлением 7ГПа. Для образцов, полученных по такой методике, характерно отсутствие трещин и больших пор. Цилиндрические слитки сохраняют металлический блеск. Пористость образцов синтезированных под давлением, находится в пределах 4-6% в зависимости от состава. Увеличение концентрации катионов лантана приводит к тому, что средний размер кристаллитов увеличивается, и они принимают продолговатую форму. Пленки более однородны по размерам кристаллитов по отношению к изоструктурным объемным образцам (рис.1).

Рис. 1. Изображение поверхности пленки BiFeO3.

Полученные данные хорошо согласуются, с результатами независимых измерений. Области белого цвета на поверхности феррит-висмутовой пленки представляют собой островки примеси Bi2O3 с повышенным содержанием висмута. Эти наросты имеют проводимость в 100 тысяч раз меньшую проводимости самой пленки и могут представлять существенную проблему как при интерпретации результатов исследования, так и при практическом использовании пленок. Результаты количественного исследования химического состава свидетельствуют об однородном, распределении составных элементов по всему объему. Установлено также присутствие примеси кремния обусловленной материалом стеклянной подложки.

Перед напылением пленок было проведено исследование магнитных свойств объемного образца. Температурная зависимость χ(Т) объемного образца подобна зависимости, полученной в [1] и указывает на отсутствие спонтанной намагниченности и на то, что в исследуемом BiFeO3, температура Нееля соответствует 640 К. После магнитных измерений на порошках в диапазоне температур 80÷1000К повторно исследовано их кристаллическое состояние. Анализ образца, на котором были проведены магнитные исследования, показывает, что часть окислов Bi2O3 и Fe2O3 сохраняется, только незначительно изменились интенсивности некоторых рефлексов, окислы при напылении методом «вспышки» не могут повлиять на появление побочной фазы, так как при этом методе структура пленки определяется условиями рекристаллизации пара, в котором соблюдается нужный компонентный состав получаемой пленки. На рис. 2 представлены результаты исследования магнитных свойств пленки.

Рис. 2. Температурные зависимости величины удельной намагниченности пленки BiFeO3.

На температурной зависимости σ(Т) пленки La0.3Bi0.7FeO3 намагниченность, свойственная ферромагнетизму, исчезает также при 550 К, но без всякого максимума выше этой температуры, и эту зависимость также нельзя интерпретировать как обусловленную присутствием фазы γ-Fe2O3.

В работе визуализированы магнитные области. Исследована эволюция амплитуды и фазы магнитного поля образцов в зависимости от вида и концентрации допирующих ионов.

Намагниченности образцов как функции приложенного магнитного поля показаны на рисунках 1,2. В отличие от BiFeO3, который является антиферромагнетиком и проявляет линейную зависимость величины удельной намагниченности от величины приложенного магнитного поля, М(H) зависимости образцов RxBi1−xFeO3 указывают на присутствие слабого ферромагнитного момента. Возникновение намагниченности в RxBi1−xFeO3 связано с антисимметричным обменным механизмом и вызвано

подавлением спиральной модуляции спинов. Несмотря на то, что допирующие ионы являются магнитоактивными, их магнитные моменты не могут способствовать возникновению не нулево остаточной намагниченности и существенной коэрцитивности вRxBi1−xFeO3, если спиральная модуляция спинов в железной подрешетке остается неподавленной.

Таким образом, редкоземельные ионы в перовооскитоподобных ВiFeO3 составах образуют магнитный порядок G-типа, когда железные подрешетки, формирующие антиферромагнитное упорядочение спиновых магнитных моментов за счет скашивания формируют слабый ферромагнитный момент.

Рис.1. Полевые зависимости величин удельных намагниченностей

образцов при температуре 2 К

При всех замещениях ионов висмута в феррите висмута наблюдаются как количественные, так икачественные изменения величин удельных намагниченностей образцов, что отчетливо проявляется вэволюции вида петель гистерезиса. Допирование 10% неодима слабо сказывается на магнитных свойствахферрита висмута. Однако, 20% добавка неодима не только приводит к возрастанию спонтаннойнамагниченности, но и влечет за собой получение материала с достаточно высокой коэрцитивной силой, в3 раза, превышающей данную величину в Nd0.1Bi0.9FeO3. Внедрение даже незначительного (10%) количества ионов лантана, позволяет при низких температурах наблюдать резкий рост относительнойнамагниченности, однако коэрцитивная сила невелика, что не позволяет рассматривать данный материалв качестве перспективного носителя магнитной информации. Анализ полученных данных оказывает, что для всех составов, за исключением феррита висмута, петли гистерезиса не начинаются с нуля, что свидетельствует о наличии в допированных образцах спонтанной намагниченности. Более высокие начальные значения в объемных образцах наблюдаются принизкотемпературных измерениях. При этом более высокие значения – в образцах, допированных ионамилантана, затем следуют образцы с неодимом, далее – допированные одновременно лантаном и Магнитные свойства мультиферроиков, синтезированных на основе BiFeO3 19 гадолинием, и наконец– содержащие гадолиний. Тот факт, что в пленках феррита висмута, допированных50% лантана, величина спонтанной намагниченности при низких температурах, оказалась ниже, чем прикомнатной температуре, по-видимому, обусловлен влиянием подложки.

Рис.2. Полевые зависимости величин удельных намагниченностей

образцов при температуре 300 К

Результаты экспериментального изучения морфологии поверхности, фазы и амплитуды магнитногополя мультиферроиков, синтезированных на основе феррита висмута, представлены на рисунках3, 4. Во всех образцах при низких температурах наблюдаются более высокие значения намагниченности, однако, в образцах с различным замещением, проявляется разная динамика роста. Так, в магнитном поле 10 Тл, относительное изменение величины намагниченности при переходе от комнатной температуры до 2К в объемных образцах Nd0.2Bi0.8FeO3

составляет 300%, а в La0.1Gd0.1Bi0.8FeO3 500%. В поле 0.4 Тл относительное изменение величины намагниченности при переходе от комнатной температуры до 2 К в объемных поликристаллических образцах Nd0.2Bi0.8FeO3 достигает величины 400%, а вLa0.1Gd0.1Bi0.8FeO3 730%. Результаты исследований магнитных характеристик показывают, что образцы, синтезированные на основе феррита висмута, допированного ионами лантана, неодима и гадолиния, в отличие от номинально чистогоантиферромагнитного феррита висмута обнаруживают слабые ферромагнитные свойства. Полученные данные указывают на возрастание с увеличением концентрации допирующих ионов интенсивности магнитного отклика надействие приложенного магнитного поля. Результаты магнитной силовой микроскопии свидетельствуют окорреляции интенсивности магнитного отклика с изменением концентрации допирующих ионов.