Multiferroïsche ABO3 overgangsmetaaloxiden:een zeldzame interactie van ferro-elektriciteit en magnetisme

Abstract

Dit overzichtsartikel vat de ontwikkeling samen van verschillende soorten materialen die op alle wetenschappelijke gebieden belangstelling hebben gewekt, met name voor nieuwe nanomaterialen die op nanoschaal zowel elektrische als magnetische eigenschappen bezitten. Dergelijke materialen die zowel magnetische als elektrische eigenschappen bezitten, hebben enorme toepassingen en kennen een intensieve onderzoeksactiviteit. Deze materialen veroorzaken nieuwe eigenschappen die vooral belangrijk zijn in elektronische en magnetische apparaten en zelfs in de materialen waar magnetische eigenschappen zullen veranderen door een elektrisch veld of vice versa. De ontdekking van dergelijke ferro-eigenschappen voor wetenschappelijke toepassingen is de noodzaak van een uur en verspreidt een opwindend nieuw gebied dat technisch en commercieel potentieel heeft voor de ontdekking van geavanceerde materialen. In recente studies is het werkelijke pad waarlangs de multiferroïsche eigenschappen bestaan gefocust en zijn nieuwe metaaloxideverbindingen ontdekt. Het begrip van de structuur van deze verbindingen door middel van onderzoek beschrijft een breed scala aan toepassingen en de uitdagingen van deze multiferroïsche materialen die moeten worden onderzocht. In deze studie zijn fundamentele aspecten en structurele variaties van ternaire overgangsmetaaloxiden behandeld, die nieuwe eigenschappen bezitten in opslagapparaten zoals harde schijven en magnetische leeskoppen.

Inleiding

Magnetische eigenschappen van objecten op nanoschaal hebben de naam gekregen van concept nanomagnetisme met een gevoelig onderzoeksgebied op alle wetenschappelijke gebieden. De eigenschappen en toepassingen van magnetische nanodeeltjes, nanofilms, nanostaafjes en nog veel meer zijn eerder ook in de geologie gebruikt als ferrovloeistoffen en hebben voldoende ruimte om in de toekomst te verkennen [1]. Deze geavanceerde materialen zijn in andere aspecten gebruikt, zoals in luidsprekers en in de medische wereld voor medicijnafgifte [2] of zelfs bij magnetische hyperthermie [3]. De opslagmaterialen met een zeer klein formaat hebben meestal een goede efficiëntie gevonden als ze in kleine apparaten worden gefabriceerd, waardoor de afmetingen van machines worden verkleind. Deze kleine apparaten bestaande uit magnetische nanodeeltjes spelen een belangrijke rol in industrieën en vooral in biomedische toepassingen [4]. Deze materialen zijn toegepast op magnetische resonantie beeldvorming (MRI) apparaten die de lokale omgeving van weefselcellen van kankercellen of tumoren mogelijk maken en visualiseren [5]. Deze magnetische nanodeeltjes hebben unieke biomedische toepassingen, met name voor de behandeling van ziekten van het centrale zenuwstelsel en moeten verder worden onderzocht om innovatieve benaderingen te vinden voor de toediening van geneesmiddelen om ziekten van het centrale zenuwstelsel (CZS) te behandelen [6].

Spontane magnetisatie kan worden gecreëerd in een lusachtige structuur die hysterese wordt genoemd door het aangelegde magnetische veld. Dit specifieke kenmerk van materialen heeft de naam ferromagnetische materialen gegeven, en deze eigenschap van materialen is afkomstig van de elektronenspins en hun baanbeweging rond de kern. Bij afwezigheid van een extern magnetisch veld, zijn de magnetische momenten willekeurig georiënteerd, maar wanneer een veld wordt aangelegd, worden deze spins opgesloten in een bepaalde volgorde en kleine groep spins om domeinachtige structuren te vormen. De structuren en de typische hysteresislus van deze magnetische materialen worden getoond in Fig. 1. Overgangsmetalen zoals nikkel, kobalt, chroom en ijzer hebben magnetische momenten die afkomstig zijn van spinoriëntaties en hebben ook een orbitale bijdrage aan het magnetische veld [7]. Deze interacties tussen de spins zijn in een bepaalde volgorde uitgelijnd bij een bepaalde temperatuur onder de Curie-temperatuur (T_c ) en boven deze temperatuur overwinnen ferromagnetische domeinen thermische energie [8]. Het zeer unieke kenmerk van ferromagnetische eigenschappen is het hebben van een hysteresislus, gekenmerkt door het bestaan van verzadigingsmagnetisatie (M_s ) waarboven er geen toename is van verdere magnetische eigenschappen, ongeacht de grootte van het aangelegde magnetische veld. Een ander kenmerk van ferromagnetische materialen, remanente magnetisatie (M_r ), slaat zelfs op bij afwezigheid van een aangelegd magnetisch veld, en deze eigenschap is gerelateerd aan het geheugen of de opslagcapaciteit van materialen. Verder worden deze ferromagnetische materialen gespecificeerd met het coërcitiefveld (H_c ) die de grootte van de omgekeerde richting van het magnetische veld meet om al zijn magnetisatie-effect te verwijderen. Deze drie eigenschappen zijn van het grootste belang bij het vinden van de potentiële fase van ferromagnetisch materiaal. Er is een competitie tussen uitwisselingsmagnetostatica en anisotropie-energieën, en er zijn de lange- en korte-orde interactiedomeinen [9].

Ferromagnetische hysteresislus en effect van magnetische domeinuitlijningen op het aanleggen van een magnetisch veld

Ferro-elektrische eigenschap [10] gekenmerkt door het bestaan van polarisatie in de aanwezigheid van een aangelegd elektrisch veld is analoog aan de ferromagnetische eigenschap. Het verschil tussen ferro-elektrisch en ferromagnetisch ligt in de structuur van materialen, maar niet in atomen, dus ferro-elektrisch is een intrinsieke eigenschap. Deze eigenschap hangt af van de hele structuur en symmetrie van verbindingen en de volgorde, wanorde en verplaatsing van ionen die aanleiding geven tot het mechanisme van ferro-elektriciteit [11,12,13]. Gestructureerde polarisatie is gerelateerd aan de ferro-elektrische eigenschap die resulteert in de hysteresislus gevormd uit elektrische domeinen. Er is een bepaalde temperatuur waaronder de faseverandering van para-elektrisch naar ferro-elektrisch de overgangstemperatuur wordt genoemd, die op zijn beurt afhangt van de aard van materialen. Deze minidomeinkarakteristieken van hysterese worden getoond in figuur 2 en komen op de een of andere manier overeen met de magnetische hystereselus. Door een grafiek uit te zetten tussen elektrische polarisatie versus aangelegd elektrisch veld, werd een lusachtige structuur gevormd met verzadigingspolarisatie (Ps), remanente polarisatie (Pr). en dwangveld (Hc) [14]. Hier begint het domein uit te lijnen in positieve veldrichting die aanleiding geeft tot snelle polarisatie en reikt tot maximale polarisatie die verzadigingspolarisatie wordt genoemd, en verder is er geen verdere toename van de waarde van polarisatie. Verder, als het aangelegde veld wordt omgekeerd, heeft de polarisatie de neiging af te nemen en bereikt een bepaalde waarde waar het aangelegde veld nul is. Remanente polarisatie (restpolarisatie in het materiaal wanneer het elektrische veld volledig is verwijderd) is de maat voor de vasthoudbaarheid of remanentie van de materialen die specifiek worden gebruikt voor geheugen en opslagcapaciteit. Om polarisatie nul te bereiken, moet het aangelegde elektrische veld verder worden verminderd. De grootte van het aangelegde elektrische veld waarbij de hele polarisatie nul wordt, wordt het coërcitiefveld genoemd. Deze waarden zijn kenmerken van hysterese die afhankelijk zijn van de structuur, aard en grootte van ferro-elektrische materialen [15].

Hysterese (P-E) curve in ferro-elektrische materialen

Multiferroic:een unieke en nieuwe eigenschap [16]

Het concept van multiferroïsch werd in 1994 geïntroduceerd door H. Schmidt [17], en volgens de laatste definitie hebben multiferroïsche materialen gelijktijdig twee of meer dan twee ferroïsche fasen samen in een enkel materiaal [18]. Deze materialen werden onderwerp van onderzoek om de chemische aard te onderzoeken en de vastestoffysica te bestuderen [19]. Bulkonderzoek op dit gebied heeft geholpen om veel nieuwe ideeën te ontwikkelen voor gebruik in apparaattoepassingen. Een van de ideeën is om de multiferroïsche bits te introduceren die informatie kunnen opslaan in de vorm van magnetisatie en polarisatie. Er zijn maar weinig materialen die twee of meer dan twee ferroïsche eigenschappen hebben en daarom zijn de multiferroïsche materialen zeldzaam [20]. Deze trend van materialen met één of meer dan twee eigenschappen is weergegeven in Fig. 3, waar het duidelijk aangeeft dat er zeer weinig materialen zijn die het multiferroïsche gedrag vertonen [21]. Dit is de reden waarom dit onderzoeksgebied een uitdaging is voor de huidige wereld en moet worden gefocust [22]. Het zeldzame bestaan van multiferroics houdt verband met het mechanisme van ferro-elektrisch gedrag dat lege d-orbitalen vereist, en aan de andere kant heeft ferromagnetisme gedeeltelijk gevulde d-orbitalen nodig [23, 24]. Om dit soort controverses te compenseren en het multiferroïsche karakter te bereiken, moet de structuur van de materialen zo worden afgestemd dat een atoom vanuit het centrum kan bewegen om elektrische dipolen te vormen en gerelateerd moet zijn aan magnetische momenten. Dit zal leiden tot een alternatief mechanisme voor magnetisme of ferro-elektriciteit. Er zijn nog bepaalde dingen die op nanoschaal kunnen worden onderzocht. De multiferroïsche aard van nanogestructureerde materialen kan nieuwe horizonten openen in de toepassingen van het maken van kleine efficiënte apparaten zoals computerchips en nog veel meer. Recent onderzoek richt zich op nano-multiferroïsche materialen voor fabricage, ontwerp en toepassingen. De ferro-eclectische domeinwandstructuren en de positie van magnetische ionen spelen een belangrijke rol bij het verkrijgen van de nieuwe functionaliteit voor de ontwikkeling van nieuwe apparaten. De vorming, engineering en toepassing door het veranderen van de structuren kunnen worden gebruikt om de informatie in de nieuwste apparaten te dragen. Er is continue interesse en groeiende ruimte gegeven aan multiferroïsche materialen die resulteerden in de vierde ferro-orde genaamd ferrotoroidiciteit [25, 26] en ook de wanden van het elektrische geleidbaarheidsdomein bepaalden die verschillen van bulkmaterialen die verband houden met geheugeneigenschappen [27]. Met behulp van filmdepositietechnieken werd ook iets heel nieuws interessants waargenomen, namelijk dat het elektrische veld het magnetisme bij kamertemperatuur geeft [28]. Hoewel de multiferroïsche studie aanzienlijke belangstelling heeft gewekt van alle onderzoekers over de hele wereld, is er nog steeds een slechte benadering van het commercialiseren van de multiferroïsche materialen die in de nabije toekomst moeten worden versneld.

Algemene classificatie van multiferroïsche materialen. Aangepast van Eerenstein et al. [21]

Verschillende klassen van multiferroïsche verbindingen op basis van structuur

Bismut-ferrieten (BiFeO₃ Verbindingen)

Ternaire bismutferrietoxiden en de afgeleide verbindingen zijn perovskietstructuren en zijn veelbelovende multiferroïsche verbindingen [29]. Deze ABO₃ perovskiet-bismut-ferrietverbinding heeft ferro-elektriciteit van het enige elektronenpaar op het centrale metaal A (Bi³⁺ ) ion dat vervormt door de positie en de symmetrie van de verloren verbinding die de ferro-elektrische eigenschap verschaft [30]. Het kation op de plaats van positie B is Fe³⁺ ion dat klein is en ongepaarde d-elektronen heeft die de magnetische eigenschappen van BiFeO₃ geven verbinding zoals weergegeven in Fig. 4 [31]. Hier kan worden geconcludeerd dat polarisatie wordt veroorzaakt door Bi³⁺ lone pair elektronen aanwezig in 6s² orbitalen en magnetische eigenschappen komen voort uit Fe³⁺ ionen. De fabricage van BiFeO₃ nanoverbinding kan leiden tot een nieuwe onderzoeksrichting die zal helpen om interessante multiferroïsche materialen te bouwen. Er waren problemen met lekstroom die de elektrische parameters van bismutferrieten verminderden en die later werden verbeterd door de toevoeging van strontium-zirkoniumionen aan de BiFeO₃ -BaTiO₃ composieten. Verder werden ook de fasestructuur, oppervlaktetextuur en elektrische eigenschappen systematisch bestudeerd [32]. Er is veel onderzoek gedaan naar ferro-elektrische perovskiet BiFeO₃ voor veel toepassingsdoeleinden, maar is zelden onderzocht voor de energieconversie van kleine mechanische bewegingen in elektriciteit ondanks de grote theoretische restpolarisatie. Maar er was één rapport waaruit bleek dat BiFeO₃ nanomaterialen hebben zo'n potentieel voor grootschalige loodvrije piëzo-elektrische nanogeneratoren en deze nanodeeltjes werden gesynthetiseerd door een sol-gelproces [33]. Bi₅ Ti₃ FeO₁₅ (BTF) multiferroïsche loodvrije nanovezels werden vervaardigd door elektrospinning en vertonen een effectieve micro-piëzo-elektrische coëfficiënt met goedaardige micro-ferro-elektriciteit [34]. Verder werd het koppelingsgedrag tussen macro-ferro-elektrisch en magneto-elektrisch gevonden door voor het eerst niet-sinteren en persen en is kleiner dan Bi₅ Ti₃ FeO₁₅ keramiek. De magnetische momenten van BiFeO₃ werden elkaar in evenwicht gehouden door twee Fe-ionen die in de tegenovergestelde richting in de cel ronddraaiden, en de bandafstand werd gevonden rond 20.5 eV [35]. De dichtheid van toestanden werd geanalyseerd, wat aangeeft dat de valentieband bestaat uit Fe-d- en O-p-toestanden, terwijl de geleidingsband bestaat uit Fe-d- en Bi-p-toestanden. De diëlektrische functie, absorptie, brekingsindex, extinctiecoëfficiënt, reflectiviteit en verlies van elektronenenergie werden ook gerapporteerd voor BiFeO₃ .

een De perovskiet-kristalstructuur van BiFeO₃ aangepast van Seidel et al. [28]. b Vervormde perovskietstructuur aangepast van Ederer en Spaldin [31]

Yttriummagnetiet (YMnO₃ ) Verbindingen

Het lijkt erop dat YMnO₃ verbinding heeft dezelfde perovskiet ABO₃ type structuur, maar het heeft een andere kristalstructuur en elektronische arrangementen. In tegenstelling tot de conventionele perovskieten hebben hexagonale manganieten hun Mn³⁺ ionen met 5-voudige coördinatie, gelegen in het centrum van een MnO₅ trigonaal bi-prisma. R-ionen daarentegen hebben een 7-voudige coördinatie in tegenstelling tot de kubische coördinatie in perovskieten. De laag van Y³⁺ ionen onderscheidt de tweedimensionale MnO₅ biprisma zoals getoond in Fig. 5, die de YMnO₃ . voorstelt eenheidscel met ionische structuren. Een nieuw concept van antiferromagnetische ferro-elektriciteit werd gevonden in YMnO₃ , en de geometrische structuur leidt de ferro-elektrische eigenschappen die gepaard gaan met de magnetische eigenschap van YMnO₃ verbinding [36]. Het kantelen van MnO₅ trigonaal biprisma resulteert in het verlies van inversiesymmetrie in de structuur die leidt tot de ferro-elektrische eigenschappen van YMnO₃ -type verbindingen [37]. De koppeling tussen de ferro-elektriciteit en magnetische orde is heel anders, en dit is de belangrijkste reden waarom magneto-elektrische koppeling niet mogelijk zou zijn in dergelijke materialen. Maar de ionenbewegingen in het kantelende gelaagde MnO₅ veelvlakken leiden tot het netto polarisatie-effect [38, 39] zoals weergegeven in Fig. 6. Er werd ook gemeld dat hexagonale YMnO₃ nanovezels bereid met de sol-gel-methode en de bereide gesponnen vezels werden gedroogd bij 125 ° C met uniforme diameter [40]. Bij een temperatuurstijging van het voorbereide monster was er een adequate verandering in morfologie en diameterbereik met homogene chemische bestanddelen over de lengte.

Kristalstructuur van YMnO₃ met lagen van MnO₅ veelvlakken en Y-atoom tussen de lagen. Aangepast van Wadati et al. [38]

Driedimensionaal schematisch aanzicht van YMnO₃ in de gepolariseerde staten. Aangepast van Spaldin et al. [39]

Zeldzame aarde (RMO₃ , M =Fe, Cr, Mn ) Multiferroïsche verbindingen

Uit het laatste onderzoek bleek dat ternaire oxiden van zeldzame aardmetalen die ijzer-, mangaan- en chroomelementen op de B-site kunnen bevatten, multiferroïsche eigenschappen vertonen waarbij zwak ferromagnetisch gepaard gaat met ferro-elektrisch gedrag bij kamertemperatuur [41]. In het geval van RFeO₃ verbindingen, is de structuur van een dergelijk type verbindingen orthorhombische eenheidscellen [42] met een vervormde perovskietstructuur. Deze vervorming komt alleen door het zeldzame-aarde-ion R³⁺ posities en de aanwezigheid van Fe³⁺ ionen in een octaëdrische omgeving. Dergelijke structuren hebben FeO₆ octaëders in de drie dimensies, een van de O^2- ionen vormen één gemeenschappelijke top tussen de twee octaëders, en de twee ijzeratomen zorgen voor de superuitwisselingsbinding via O^2- ionen. In dit concept zijn de Fe-atomen enigszins gekanteld, wat resulteert in de zwakke ferromagnetische interacties [43]. Sinds de RFeO₃ verbindingen zijn opgenomen in de familie van centrosymmetrische ferrieten, bestaat er nog steeds de ferro-elektrische eigenschap bij kamertemperatuur. Dit ongebruikelijke gedrag kan worden verklaard met de literatuur die melding maakte van een SmFeO₃ verbinding waar de niet-equivalente spins verantwoordelijk zijn voor de geïnduceerde ferro-elektrische eigenschap en kregen de naam van antiferromagnetische ordening-geïnduceerde ferro-elektriciteit [44] die is weergegeven in Fig. 7.

Kristalstructuur en magnetische spectra van orthorhombische SmFeO₃ . Aangepast van Scoot et al. [44]

De tweede klasse van zeldzame aarde multiferroïsche oxiden is op chroom gebaseerde RCrO₃ verbindingen. In plaats van FeO₆ structuur, antifase kanteling van CrO₆ octaëders zoals getoond in Fig. 8 was aanwezig in orthorhombische (RCrO₃ , R =Y, Gd, Tb) multiferroïsche verbindingen. De polarisatie van ferroïsche aard gaat gepaard met de magnetische ordening van Cr-ionensubroosters, en de bekende interactie Dzyaloshinskii-Moriya (DM) geeft aanleiding tot de zwakke ferromagnetische eigenschappen van Cr³⁺ ionen [45]. GdCrO₃ verbindingen, het magnetische moment van Cr-ionen, zijn antiparallel aan de dichtstbijzijnde kationen en worden weergegeven door een G-type configuratie. De klasse van ferro-elektriciteit van RCrO₃ verbindingen is nog steeds niet goed verklaard, terwijl werd aangenomen dat excentrische vervorming is voorgesteld voor de oorsprong van ferro-elektrisch gedrag. Dit soort mechanisme werd gerapporteerd in bulk, nano, dunne films van RCrO₃ verbindingen [46,47,48]. In aanwezigheid van een aangelegd magnetisch veld kan de sterkte van de polarisatie worden gevarieerd in het geval van GdCrO₃ verbindingen. YCrO₃ is orthorhombisch maar is nog steeds ferro-elektrisch omdat de Cr-atomen van de positie in een bepaalde richting worden verplaatst, wat resulteert in de polarisatie. Dit toont het nieuwe concept dat kan worden gevisualiseerd door veel ongebruikelijke eigenschappen van multifunctionele materialen.

Vervormde orthorhombische perovskiet-kristalstructuur van RCrO₃ . Aangepast van Fender et al. [45]

Kubieke GdFeO₃ deeltje via een eenvoudige hydrothermische syntheseroute en de fotoluminescentie en magnetische eigenschappen ervan werden onderzocht [49]. Door het onderzoek van de fotoluminescentie en magnetische eigenschappen, de orthorhombische kubische GdFeO₃ deeltjes vertoonden een zeer goede gedoteerde luminescentie, die verschillend gekleurd licht uitzendt wanneer gedoteerd met verschillende zeldzame aardelementen. De GdFeO₃ deeltjes bevatten paramagnetische eigenschappen. Het zou een uitstekend luminescentie- en magnetisch materiaal kunnen zijn. Hoge magneto-elektrische koppeling door gebruik van één enkel kristal van DyFeO₃ en GdFeO₃ is eerder gemeld, maar de multiferroïsche aard komt alleen voor bij zeer lage temperaturen [50]. Solid-state poedersynthese van GdFeO₃ en GdCrO₃ omvat het uitgebreid mechanisch slijpen van de benodigde oxiden (Gd₂ O₃ , Fe₂ O_3, en Cr₂ O₃ ) bij een voldoende hoge calcineringstemperatuur ∼ 1800 °C. Een eenvoudige sonochemische methode voor de synthese van nanodeeltjes van een reeks zeldzame aarde-orthoferrieten werd gerapporteerd. Dit sonochemische proces maakt de synthese van nanodeeltjes van de zeldzame-aardorthoferrieten mogelijk bij een aanzienlijk lagere calcineringstemperatuur door gebruik te maken van eenvoudige voorlopers, ijzerpentacarbonyl en zeldzame-aardecarbonaten. Het is bijzonder opmerkelijk dat de warmtekrachtkoppeling van de granaatfase niet is waargenomen, zoals gebruikelijk is bij de conventionele methoden. De drastische verlaging van de calcineringstemperatuur kan te wijten zijn aan de ultrasone vorming van amorf ijzeroxide uit Fe(CO)₅ . Nanoformaat GdFeO₃ , ErFeO₃ , TbFeO₃ , en EuFeO₃ werden met deze methode bereid en hun magnetische eigenschappen werden ook in detail bestudeerd [51]. Sterk kristallijne orthoferriet nanodeeltjes (type La_1−x Gd_x FeO₃ , waarbij x = 0 tot 1) werden bereid met behulp van de zelfverbrandingsmethode. Onze bijzondere interesse gaat uit naar de karakterisering van de structurele en magnetische eigenschappen van bepaalde verbindingen met een sterke nadruk op de rol van Gd³⁺ ionen in de modulatie van de structuur en magnetische respons [52]. Perovskieten met compositie MFeO₃ zijn een klasse van materialen met potentiële toepassingen zoals katalysatoren [53], sensoren, [54] halfgeleiders en [55] magnetische en magneto-optische materialen [56]. De faseselectieve synthese van LnFeO₃ (Ln =zeldzame aarde) is een uitdaging omdat er ongewenste naast elkaar bestaande fasen zijn [57, 58]. Zichtbaar licht-gedreven Gd₂ Ti₂ O₇ /GdCrO₃ composiet voor waterstofontwikkeling is gerapporteerd, en een reeks van Gd₂ Ti₂ O₇ /GdCrO₃ composieten worden bereid door verbranding in vaste toestand. De fotokatalytische activiteit van de composieten wordt onderzocht in de richting van waterstofproductie zonder gebruik van een co-katalysator onder zichtbaar licht. De vormingssnelheid van waterstof wordt gemeten door het fotokatalytische activiteitsmeetapparaat en gaschromatografie (GC). De hoogste efficiëntie wordt waargenomen over de samengestelde GTC (Cr:Gd:Ti = 1:1:1). Op basis van fotostroommetingen en PL is een mechanisme voor de verhoogde fotokatalytische activiteit besproken [59]. Ongebruikelijke magnetische eigenschappen van nanokristallijn orthoferriet, GdFeO₃ , gesynthetiseerd door conventionele vastestofreactie (SSR) route op basis van de stoichiometrische vermenging van Fe₂ O₃ en Gd₂ O₃ zijn gevonden in het rapport [60]. De polykristallijne monsters van GdFe_1-x Ni_x O₃ (x =-0,0, 0,1) worden bereid door middel van een reactieroute in vaste toestand. Er werd ook opgemerkt dat Ni³⁺ ionensubstitutie resulteert in roostercontractie en verbetering van een diëlektrische constante, raaklijnverlies en AC-geleidbaarheid [61].

De enige beschikbare magnetische onderzoeken waren gericht op de Mossbauer-spectrometrie om veldgeïnduceerde SR-overgangen in DFO te onderzoeken [62, 63]. Van deze verbindingen is DFO de enige zeldzame-aarde-orthoferriet die de Morin-overgang bij 35 K laat zien, gevolgd door drie afwijkende overgangen bij temperaturen van 77 K, 130 K en 270 K, waarschijnlijk veroorzaakt door het veldgeïnduceerde spin-heroriëntatie-effect (SR) dat zijn oorsprong vindt in van de concurrerende magnetische interactie tussen Dy³⁺ en Fe³⁺ ionen. Microgolf-geassisteerde synthese van zeldzame aardchromieten en fysische eigenschappen werden gerapporteerd. Magnetisatiemetingen toonden aan dat de Neel-temperatuur voor antiferromagnetische Cr³⁺ -Cr³⁺ bestellen is sterk afhankelijk van de RE³⁺ ionische straal en een rijke verscheidenheid aan verschillende magnetische spin-interacties bestaat. Op gesinterde pellets zijn de elektronische verschillen bij de korrelgrens en het binnenste bulkmateriaal, wat de twee diëlektrische relaxaties geeft, gemeten door diëlektrische spectroscopie. Röntgendiffractie, Raman-spectroscopie en temperatuurafhankelijke diëlektrische permittiviteitsgegevens duiden niet op potentiële niet-centrosymmetrie in het kristal of gelijktijdige ferro-elektriciteit. Er zijn systematische inspanningen geleverd om volledige series van (RE)CrO₃ . voor te bereiden verbindingen die qua structuur kunnen lijken op YCrO₃ verbinding. Gedetailleerd onderzoek van de magnetische en diëlektrische eigenschappen en hun correlaties met een bijzondere focus op mogelijk magneto-elektrisch of multiferroïsch gedrag zoals waargenomen werd gerapporteerd [64]. De ladingstransporteigenschappen in (RE)CrO₃ Van materialen is beweerd dat ze p-type halfgeleiders bevatten met gevoeligheid voor vochtigheid, methanol, ethanol en verschillende gassen, wat nuttig is voor mogelijke sensortoepassingen. [65, 66]. Bovendien, LaCrO₃ en zijn gedoteerde varianten zijn kandidaten voor toepassing als onderling verbonden materialen in vaste-oxidebrandstofcellen [67, 68] en als katalysatoren voor koolwaterstofoxidatie [69]. Zeldzame aarde-orthoferrieten van het type LnFeO₃ (Ln ¼ Gd, Dy, Sm) kristalliseren de orthorhombisch vervormde perovskietstructuur. De aanwezigheid van elektrische polarisatie in de zwak ferromagnetische toestand van DyFeO₃ werd gerapporteerd in een polykristallijn monster, [70] waarin ferro-elektriciteit verdwijnt onder de spin-heroriëntatietemperatuur. Het belang van het lokale veld geïnduceerd op Dy-ionen door het zwakke ferromagnetische moment van het Fe-subrooster in de G₄ structuur wordt onthuld door het nulveld [71] Fe Mossbauer-spectra van DyCrO₃ . Magnetische gevoeligheid van zware zeldzame-aardorthochromieten bij hogere temperatuur [72] en magnetocalorische eigenschappen van zeldzame-aarde-gesubstitueerde DyCrO₃ zijn ook gemeld [73]. Het gedetailleerde onderzoek naar magnetische interactie werd gevonden in DyCrO₃ bulkpoeders [74] met behulp van de hydrothermische synthesemethode. Gedetailleerde studies over nanokristallijn CeCrO₃ bleken multifunctionaliteiten te vertonen zoals antiferromagnetisme, relaxorgedrag en een optische bandgap in het zichtbare gebied. Deze nieuw ontwikkelde syntheseroute opent de immense mogelijkheden voor de bereiding van de tot nu toe onbekende Ce³⁺ -gebaseerde gemengde oxiden, analoog aan andere zeldzame aarde (RE³⁺ ) tegenhangers [75]. De veldgeïnduceerde metastabiele toestand met elektrische polaire orde verschijnt bij de magnetische ordeningstemperaturen van Cr³⁺ ionen in de zwak ferromagnetische zeldzame aarde orthochromieten (RCrO₃ , waarbij R een magnetisch zeldzame-aarde-ion is), met een relatief grote elektrische polarisatie ~ 0,2-0,8 μC/cm² , beginnend bij vrij hoge temperaturen (~ -120-250 K) overeenkomend met de Neel-temperaturen van het Cr-subsysteem [76]. Statische en dynamische magnetische eigenschappen en effect van oppervlaktechemie op de morfologie en kristalliniteit van DyCrO₃ nanobloedplaatjes zijn gemeld [77].

Er werd ook gemeld dat orthoferrieten met nanogrootte kunnen worden gebruikt als fotokatalysatoren bij de ontleding van water of de afbraak van kleurstoffen onder lichte bestraling. Dit onderzoeksgebied is aanzienlijk uitgebreid door de komst van een nieuwe klasse van oxiden die interessante multiferroïsche en magneto-elektrische eigenschappen vertonen die voortkomen uit magnetisch geïnduceerde ferro-elektriciteit. Interessant is dat deze materialen eenvoudige overgangsmetaaloxiden zijn, waarvan de meeste de perovskietstructuur hebben. Nieuwe kenmerken van multiferroïsche en magneto-elektrische ferrieten en chromieten die magnetisch aangedreven ferro-elektriciteit vertonen. Men heeft gezien dat bijna alle fotokatalysatoren van oxidehalfgeleiders stabiel maar actief zijn onder bestraling met UV-licht. Het ontwikkelen van een algemene milde methode om zeldzame-aardechromieten met uniforme kristalgrootte en -vorm te bereiden, is belangrijk voor verdere eenkristalgerelateerde toepassingen. De enkele kristallen van micrometerformaat behouden meer van de bulkeigenschappen in vergelijking met hun overeenkomstige polykristallijne tegenhangers die zijn verkregen met voorlopers die bij hoge temperatuur zijn behandeld. Het begrijpen van kristalstructuren en bandstructuren van complexe metaaloxiden is zonder twijfel een belangrijk aspect om nieuwe of verbeterde functionaliteiten te verkennen. Voor reacties bij lage temperaturen, in het bijzonder de topochemische, is het begrip van de factoren die de uiteindelijke structuren tijdens een reactie sturen, zoals de tussenfase en de ionmigratieroute, even belangrijk door gebruik te maken van zowel kinetische als thermodynamische overwegingen. Bovendien zal dergelijke kennis, zoals hier aangetoond door het dunne-filmwerk, zeker helpen bij het ontwikkelen van nieuwe ionengeleiders voor toepassingen bij lage temperaturen. De macroporeuze wanden zijn samengesteld uit zeldzame aarde-orthoferriet-nanodeeltjes, en deze hiërarchisch poreuze materialen vertonen hoge katalytische activiteiten voor de CO+NO-reactie, en NO kan volledig worden omgezet in N₂ bij temperaturen zo laag als 350°C, wat wijst op hun potentieel in de katalytische conversie van uitlaatgassen van auto's en andere katalysegerelateerde gebieden. Deze synthesestrategie is een gemakkelijke methode voor de bereiding van hiërarchische poreuze materialen en kan ons een richtlijn geven voor de synthese van functionele materialen met verdere katalytische toepassingen [78]. Met de ontwikkeling van de auto-industrie is uitlaatgas van auto's een van de belangrijkste bronnen van luchtvervuiling geworden. De beheersing van vervuiling door uitlaatgassen van auto's is bijzonder belangrijk voor het verminderen van luchtvervuiling. 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.

Conclusie

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.