Propriedades elétricas em heteroestruturas multiferróicas

Abstract

Os filmes finos multiferróicos magnetoelétricos, que apresentam um acoplamento entre a ordem magnética e elétrica, têm atraído recentemente bastante interesse científico e tecnológico. A possibilidade de controlar a magnetização (polarização) por meio de um campo elétrico (magnético) permite estudar as interações electro-magnéticas à nanoescala, criar nanoestruturas multifuncionais e alargar a gama de potenciais aplicações. Nesse âmbito, combinando um material piezoelétrico com um material magnetostritivo, as interações mecânicas entre as fases induzem um acoplamento magnetoelétrico. Esse acoplamento entre a fase piezoelétrica e a fase magnetostritiva dá origem a diversas aplicações em microeletrónica, por exemplo, memórias de múltiplos estágios ou sensores. Neste contexto, foram produzidas compósitos magnetoelétricos constituídas por 0.85[0.6Ba(Zr0.2Ti0.8)O3 − 0.4(Ba0.7Ca0.3)TiO3] − 0.15SrTiO3 (0.85BCZT-0.15STO), um bom piezo/ferroelétrico, livre de chumbo, e CoFe2O4 (CFO), um material ferromagnético com alta magnetostrição. A técnica utilizada para a deposição das heteroestruturas em bicamada foi a ablação laser (PLD). Neste trabalho, foi a estudada a influência da espessura do CFO em dispositivos do tipo Pt(111)/BCZT-STO/CFO/Au, e posteriormente, a influência do substrato no dispositivo Nb:STO(001)/BCZT-STO/CFO/Au, comparando com os resultados obtidos para as estruturas anteriores. Após a sua produção, estes dispositivos foram caraterizados a nível estrutural por difração de raios-X com incidência rasante (GIXRD), a nível morfológica por microscopia eletrónica de varrimento (SEM) e a nível da sua composição química por espetroscopia de dispersão de energia (EDS). Posteriormente foi realizada a caracterização ferroelétrica e dielétrica. Os resultados obtidos por SEM e GIXRD mostram que as camadas de BCZT-STO e CFO nos dispositivos de Pt/BCZT-STO/CFO/Au são policristalinas e apresentam crescimento colunar. Já para a estrutura Nb:STO/BCZT-STO/CFO/Au, verificou-se o crescimento epitaxial dos filmes de BCZT-STO e CFO que constituem a bicamada. As medidas de GIXRD confirmam a formação da fase tetragonal do BCZT-STO e a estrutura espinela cúbica do CFO. Os ciclos P-E, obtidos para todos os dispositivos, permitem concluir que compósito apresenta comportamento ferroelétrico. As propriedades dielétricas dos filmes foram estudadas pela medição da capacidade (C) e das perdas dielétricas (tan 𝛿) em função da frequência e temperatura. Verifica-se que BCZT-STO apresenta um comportamento relaxor. Através do modelo de Havriliak-Negami e incluindo a contribuição da condutividade, modelizou-se e ajustou-se a constante dielétrica imaginária, para obter os tempos de relaxação e energias de ativação, de maneira a saber os principais mecanismos de condução presentes nestas estruturas.

Multiferroic magnetoelectric films, presenting a coupling between their electric and magnetic degrees of freedom, have attracted significant scientific and technological interest. The possibility to control the magnetization (polarization) with an electric (magnetic) field allows the study of magnetic electric effects at the nanoscale, the creation of multifunctional devices and the widening of potencial applications. In this respect, by combining a piezoelectric with a magnetostrictive material, the mechanical interactions between the phases induce a magnetoelectric coupling. This coupling between the piezoelectric and the magnetostrictive phases then gives rise to various applications in microelectronics, such as multistage memories or sensors. In this context, bilayer magnetoelectric composites consisting of 0.85[0.6Ba(Zr0.2Ti0.8 )O3 − 0.4(Ba0.7Ca0.3 )TiO3 ] − 0.15SrTiO3 (0.85BCZT-0.15STO), a lead-free, good piezoelectric, and CoFe2O4 (CFO), a ferromagnetic material with high magnetostriction, were produced. The technique used for the bilayer deposition was pulsed laser ablation (PLD). In this work, the influence of the CFO thickness in Pt(111)/BCZT-STO/CFO/Au-type devices was studied, and subsequently, the influence of the substrate on the Nb:STO(001)/BCZT-STO/CFO/Au device was investigated, comparing the results obtained with the former structures. For these devices, their structural characterization was performed by grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD), morphological characterization by scanning electron microscopy (SEM), chemical characterization by energy-dispersive spectroscopy (EDS) and ferroelectric, and dielectric properties characterization. The results obtained by SEM and GIXRD showed that the Pt/BCZT-STO/CFO/Au devices are polycrystalline and exhibit columnar growth of the magnetoelectric bilayer. For the Nb:STO/BCZT STO/CFO/Au structure, epitaxial growth of the bilayer was observed. GIXRD measurements confirmed the formation of the tetragonal phase of BCZT-STO and the cubic spinel structure of CFO. The P-E cycles obtained for all devices showed the ferroelectric behavior of the composite. The dielectric properties of the films were studied by measuring the capacitance (C) and the dielectric losses (tan δ) as a function of frequency and temperature, revealing the relaxor behavior of BCZT-STO. By using the Havriliak-Negami model and including the contribution of conductivity, the imaginary dielectric constant was modeled and adjusted to obtain the relaxation times and activation energies, in order to understand the main conduction mechanisms, present in these structures.