close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY12053

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2009.06.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 12053
(13) C1
(19)
C 04B 35/26
C 04B 35/462
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
(21) Номер заявки: a 20071327
(22) 2007.11.01
(71) Заявитель: Государственное научнопроизводственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по материаловедению" (BY)
(72) Авторы: Бушинский Максим Владиславович; Шаповалова Елена
Федоровна (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научно-производственное объединение "Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси
по материаловедению" (BY)
(56) EP 1675161 A1, 2006.
US 5164349 A, 1992.
US 6063719 A, 2000.
US 5512196 A, 1996.
RU 2189954 C2, 2002.
US 5601748 A, 1997.
BY a 20051326, 2007.
BY 12053 C1 2009.06.30
(57)
Магнитоэлектрический материал, содержащий Bi, Fe и O и имеющий орторомбически
искаженную кристаллическую решетку, отличающийся тем, что дополнительно содержит Ca и Ti в соотношении, соответствующем химической формуле (1-x)BiFeO3-xCaTiO3,
где 0,2 ≤ х ≤ 0,4.
Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к магнитным материалам, в которых сосуществуют магнитное и электрическое упорядочения, - мультиферроикам [1]. С одной стороны, использование мультиферроиков в устройствах,
преобразующих информацию в форме намагниченности в электрическое напряжение и
наоборот, привлекательно при решении насущных задач сенсорной техники, магнитной
памяти и микроэлектроники, в частности спинтроники, стремящейся соединить достоинства энергонезависимой магнитной памяти и быстродействующих электрических систем
обработки информации. С другой стороны, эти материалы в обычных условиях демонстрируют сильные магнитоэлектрические свойства и могут применяться как энергонезависимые среды в электрооптических устройствах, в частности в энергонезависимых
дисплеях и электрооптических модуляторах. Преобразование магнитного поля в электрическое напряжение с помощью мультиферроиков не требует протекания электрических
токов, что снижает омические потери; диэлектрические свойства мультиферроиков избавляют также от потерь, связанных с вихревыми токами. Емкостные элементы на основе
мультиферроиков лучше совместимы с планарной технологией, требованиями миниатюризации и необходимостью создания больших напряженностей магнитного поля в малых
объемах.
Многие мультиферроики кристаллизуются в структуры, схожие с магнитными полуметаллами, что позволяет комбинировать эти материалы в многофункциональные эпитаксиальные гетероструктуры, где слой мультиферроика используется как сегнетоэлект-
BY 12053 C1 2009.06.30
рический туннельный переход, управляемый магнитным полем, или магнитный туннельный переход, управляемый электрическим полем [2].
Известен магнитоэлектрический материал, представляющий тонкую пленку, полученную осаждением на подложку прекурсора, содержащего редкоземельный металл из группы Ln (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb и Lu) и неметалл из группы
Н, С, N, F, P, S, Cl, Se, Br, Те, причем неметаллические компоненты прекурсора содержат
от 0 до 80 % кислорода, и последующим нагревом до 1000 °С в окислительной атмосфере
[3].
Материал, описываемый в указанной работе, близок к заявляемому техническому решению и выбран в качестве аналога предлагаемого изобретения.
Недостатком его является сложный многокомпонентный состав, дорогостоящая техника и многоступенчатая сложная технология получения магнитоэлектрического материала.
Известен магнитоэлектрический материал (мультиферроик), который представляет
собой металлооксидную пленку, содержит Bi, Fe, О, имеет кристаллическую решетку тетрагональной или орторомбической системы [4].
По своей сущности этот материал наиболее близок к предполагаемому изобретению и
выбран в качестве прототипа. Общими существенными признаками прототипа и заявляемого технического решения является то, что в обоих случаях в качестве функционального
материала для изготовления магнитоэлектрического материала используется феррит висмута.
К недостаткам указанного материала следует отнести использование многоступенчатой сложной технологии, большие затраты на его получение и невысокую намагниченность и электрическую поляризацию.
Задачей, решаемой данным изобретением, является разработка керамического магнитоэлектрического материала на основе феррита висмута с высокой намагниченностью и
электрической поляризацией при использовании более простой технологии изготовления,
требующей меньших затрат.
Поставленная задача решается путем получения магнитоэлектрического материала,
содержащего Bi, Fe, О и имеющего орторомбически искаженную кристаллическую решетку. Новым, по мнению авторов, является то, что он дополнительно содержит Са и Ti в
соотношении, соответствующем химической формуле (1-x)BiFeO3−xCaTiO3, где
0,2 ≤ х ≤ 0,4.
Сущность изобретения заключается в том, что в магнитоэлектрическом материале на
основе феррита висмута введение катионов Са3+ в узлы Bi3+, a Ti4+ в позиции Fe3+ вызывает в ромбоэдрической структуре BiFeO3 орторомбические искажения, приводящие к изменению типа магнитного упорядочения, увеличению спонтанной намагниченности и
электрической поляризации за счет изменения обменных взаимодействий в результате
различного искажения кислородных октаэдров, окружающих катионы Fe. В результате
получен магнитоэлектрический керамический материал, представляющий твердый раствор феррита висмута и сегнетоэлектрического титаната кальция (1-x)BiFeO3-xCaTiO3
(0,2 ≤ х ≤ 0,4). Замена части ионов Bi3+ (20 - 40 %) на Са2+ приводит к росту спонтанной
намагниченности более чем вдвое (MS~0,1 э.м.е./г при х = 0,4) и одновременно увеличивает электрическую поляризацию по сравнению с прототипом, поскольку введение катионов
Са2+ в узлы Bi3+, a Ti4+ в позиции Fe3+ вызывает в ромбоэдрической структуре BiFeO3 орторомбические искажения, при этом антиферромагнитное упорядочение переходит в неколлинеарную структуру неспаренных спинов ионов Fe3+ в соответствии с
антисимметричным взаимодействием Дзялошинского-Мория, изменяются длины и углы
связи, а значит и обменные взаимодействия в решетке перовскита, что сказывается на
увеличении намагниченности материала в 2-3 раза. Введение катионов Са2+ приводит
также к значительному смещению ионов Fe3+ и Ti4+ из центра октаэдрических пор и, как
2
BY 12053 C1 2009.06.30
следствие, возникновению спонтанной электрической поляризации. В результате увеличивается как спонтанная намагниченность, так и электрическая поляризация предлагаемого магнитоэлектрического материала по сравнению с прототипом.
Таким образом, при использовании заявляемого технического решения достигается
повышение как намагниченности, так и поляризуемости материала на основе феррита висмута, тем самым улучшаются его магнитоэлектрические характеристики.
Пример конкретного осуществления.
Образцы (1-x)BiFeO3-xCaTiO3 (0,2 ≤ х ≤ 0,4) приготавливаются по обычной керамической технологии. Исходными реагентами были оксиды и карбонаты Bi2O3, TiO2, СаСО3,
Fe2O3, смешанные на планетарной шаровой мельнице Retsch PM100 в стехиометрической
пропорции. Время помола составляло от 40 до 90 мин. Затем образцы обжигались при
температуре от 870 до 1100 °С на воздухе в течение 5-15 мин. Рентгенографический и
нейтронографический анализ показал, что образцы (1-x)BiFeO3-xCaTiO3 (0,2 ≤ х ≤ 0,4),
полученные на воздухе, характеризуются орторомбически искаженной структурой перовскита. Исследование магнитоэлектрического эффекта в полученных составах показало наличие характеристик мультиферроика, что подтверждается полученными петлями
гистерезиса Р(Е) (поляризация - электрическое поле) и М(Н) (намагниченность - магнитное поле). Полученные зависимости поляризации от величины электрического поля Р(Е)
для составов с различным содержанием кальция представляют типичные для сегнетоэлектрика петли гистерезиса. С ростом содержания кальция наблюдалось увеличение поляризации и для образца х = 0,4 получены величины остаточной поляризации Рr~30 µК/см2 и
коэрцитивного поля 32 кВ/см. Зависимости намагниченности от величины магнитного поля М(Н) при комнатной температуре для составов с разным содержанием кальция представляют также симметричные петли гистерезиса, свидетельствуя о наличии магнитного
упорядочения. Остаточная намагниченность растет с ростом содержания кальция от 0,06
до 0,09 э.м.е./г.
Намагниченность насыщения растет с увеличением концентрации кальция и для состава х = 0,4 превышает 0,1 э.м.е./г.
При добавлении менее 20 % или более 40 % титаната кальция магнитоэлектрические
характеристики полученного материала ухудшаются.
Сопоставительный анализ предлагаемого решения с прототипом показывает, что заявляемый магнитоэлектрический материал на основе феррита висмута обладает повышенной намагниченностью и поляризуемостью и может быть получен с меньшими затратами,
в то время как известный магнитоэлектрический материал обладал в 2-3 раза меньшей
спонтанной намагниченностью и электрической поляризацией и требовал для своего получения сложной аппаратуры и значительных затрат.
Источники информации:
1. Erenstein W., Mathur N.D., Scott J.F. Multiferroic and magnetoelectric materials. Nature.
Vol. 442/17, 2006. - P. 759-754.
2. Bea, M. Bibes, M. Sirena, et al. Combining halfmetals and multiferroics into epitaxial heterostructures for spintronics. Appl. Phys. Lett. 88, 062502, 2006.
3. Патент США US 7,208,504, МПК C 30B 29/16, 2007.
4. Патент ЕР 1 675 161 Al, МПК H 01L 21/02, 2005.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
3
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
79 Кб
Теги
by12053, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа