Мультиферроики — это материалы, обладающие одновременно двумя и более
типами упорядоченности: чаще всего ферромагнетизмом, ферроэлектричностью
и иногда ферроэластичностью. Их свойства находят применение в памяти,
сенсорах, спинтронике и квантовых устройствах. Основное внимание в
физике сосредоточено на взаимосвязи этих упорядоченностей и механизмах,
обеспечивающих их совместное существование.
1. Типы
мультиферроиков по механизму взаимодействия
Мультиферроики классифицируют в зависимости от того, каким образом
возникает ферроэлектрическая и магнитная упорядоченность, а также от
природы их взаимодействия.
1.1. Тип-I мультиферроики
Характеристики:
- Ферроэлектрическая и магнитная упорядоченности возникают независимо
друг от друга.
- Электрический и магнитный моменты обусловлены разными атомными
подструктурами или механизмами.
- Чаще всего наблюдается высокая температура ферроэлектрического
перехода и низкая температура магнитного перехода.
Примеры:
- BiFeO₃ (Бисмут феррит железа) — ферроэлектрическая
упорядоченность возникает за счет смещения ионов Bi³⁺, а
антиферромагнетизм — за счет взаимодействий Fe³⁺.
- YMnO₃ (Иттрий манганат) — проявляет шестиугольную
ферроэлектрическую структуру, в то время как магнетизм обусловлен Mn³⁺
спинами.
Особенности взаимодействия:
- Слабое взаимодействие между магнитной и электрической
упорядоченностью.
- Управление магнитными свойствами электрическим полем или наоборот
затруднено.
1.2. Тип-II
мультиферроики (магнитно-индуцированные)
Характеристики:
- Ферроэлектричность индуцирована магнитным упорядочением.
- Электрический полярный момент появляется как следствие
неколлинеарной магнитной структуры (спиральные или кручёные спины).
- Температуры ферроэлектрического и магнитного переходов совпадают или
близки.
Примеры:
- TbMnO₃ — спиральная магнитная структура индуцирует
ферроэлектрический момент.
- Ni₃V₂O₈ — мультиферроический эффект обусловлен
спиновой фрустрацией.
Особенности взаимодействия:
- Сильная магнитоэлектрическая связь.
- Электрическое поле может влиять на ориентацию спинов, а магнитное
поле — на поляризацию.
- Высокий интерес для приложений в управляемой памяти и сенсорных
устройствах.
2. Классификация по типу
магнетизма
Магнитная часть мультиферроика может проявляться различными
способами:
2.1. Ферромагнитные
мультиферроики
- Все магнитные моменты выровнены параллельно.
- Редко встречаются в природе из-за конкуренции ферроэлектрической и
ферромагнитной упорядоченности.
2.2. Антиферромагнитные
мультиферроики
- Моменты спинов компенсируются, создавая нулевой макроскопический
момент.
- Часто встречаются в переходных металлах (например, Fe³⁺ в
BiFeO₃).
- Магнитоэлектрический эффект сохраняется за счет неколлинеарных
спиновых структур.
2.3. Ферримагнитные
мультиферроики
- Моменты не полностью компенсированы, возникают слабые
макроскопические магнитные моменты.
- Пример: Y₃Fe₅O₁₂, при определённой кристаллической модификации может
демонстрировать мультиферроические свойства.
3. Классификация по
кристаллической структуре
Мультиферроики можно делить и по структуре решётки, так как симметрия
играет ключевую роль в возникновении ферроэлектричности:
3.1. Псевдоперовскиты (ABO₃)
- Наиболее изученная и широко используемая группа.
- Примеры: BiFeO₃, YMnO₃.
- Ферроэлектричность обусловлена смещением A-ионов, магнетизм —
B-ионов.
- Высокая термостабильность и хорошо исследованные свойства.
3.2. Шестиугольные
мультиферроики
- Пример: YMnO₃.
- Поляризация возникает из-за смещения ионов в шестиугольной
решётке.
- Магнетизм формируется на слоях Mn³⁺, что приводит к слабой
магнитоэлектрической связи.
3.3. Спиновые цепи и
слоистые структуры
- Механизмы мультиферроичности часто связаны с спиновой
фрустрацией.
- Пример: LiCu₂O₂ — индуцированная ферроэлектричность за счет
спиральной магнитной структуры.
4.
Классификация по природе магнитоэлектрического взаимодействия
4.1.
Структурно-обусловленные (инверсно-симметричные) мультиферроики
- Магнитоэлектрический эффект связан с кристаллической
асимметрией.
- Пример: BiFeO₃, где смещение Bi³⁺ и Fe³⁺ создаёт поляризацию.
4.2.
Магнитно-обусловленные мультиферроики
- Поляризация возникает как следствие магнитного порядка.
- Пример: TbMnO₃, Ni₃V₂O₈.
- Магнитоэлектрическая связь сильнее, чем в структурно-обусловленных
типах.
4.3. Струкрутурно- и
магнитно-комбинированные
- Поляризация и магнитная упорядоченность взаимозависимы, оба
механизма важны.
- Пример: RMn₂O₅ (R = редкоземельный элемент) — сложные спиновые
структуры индуцируют поляризацию на фоне структурных смещений.
5. Ключевые особенности
мультиферроиков
- Совмещение двух и более упорядоченностей требует особых условий: не
все ферроэлектрики могут быть магнитными, и не все магнитные материалы
могут проявлять ферроэлектричность.
- Основная сложность — конкуренция между спонтанной поляризацией и
спонтанным магнитным моментом, так как механизмы их возникновения часто
взаимно исключающие.
- Тип-II мультиферроики особенно перспективны для технологий, так как
позволяют управлять магнетизмом электрическим полем и поляризацией
магнитным полем.