Filmes finos nanoestruturados de ferrite de cobalto CoFe2O4 disperso numa matriz de niobato de chumbo PbNb2O6 para nanocompósitos magnetoeléctrico

Abstract

Foram preparados, através de ablação laser, filmes compósitos multiferróicos formados por diferentes concentrações (de 0% a 90%) de ferrite de cobalto (CoFe2O4- magnetoestritivo - CFO) disperso numa matriz de niobato de chumbo (PbNb2O6- piezoeléctrico - PNO). Os resultados mostram que para a temperatura de deposição (Tdep) de 600ºC, e uma distância entre alvo e substrato (dST) de 9cm, os compósitos são constituídos por PNO na fase ferroeléctrica. O tamanho de grão varia entre 17nm e os 41nm, indicando um aumento do tamanho de grão com o aumento da concentração do PNO. Os parâmetros de rede do PNO variam entre 3,1% a 3,6% para o valor de a e -0,07% a 0,9% para o valor de b em comparação com o valor em bulk. A análise da superfície dos filmes mostra que se formam filmes policristalinos, com um tamanho médio de grão de aproximadamente 20 a 25 nm que coincidem com os tamanhos calculado através de Raios-X. A análise Raman indica-nos que existe um decréscimo dos picos correspondentes ao CFO à medida que a sua concentração vai diminuindo e, em contrapartida, vemos um crescimento do pico referente ao PNO. Através do pico correspondente ao CFO situado em 480cm-1, verifica-se que existe um desvio no sentido de menores comprimento de onda, indicando que o material tem uma tendência a se comprimir à medida que a concentração do PNO aumenta. As medidas magnéticas mostram uma diminuição do campo coercivo (Hc) com o aumento da concentração da ferrite de Cobalto nos filmes. Além disso, para concentrações intermédias da ferrite, observa-se uma anisotropia em que a magnetização se orienta perpendicularmente ao plano dos filmes. As diferentes contribuições que poderiam estar na origem desta anisotropia (forma, magnetocristalina, elástica) foram calculadas concluindo-se que a anisotropia relativa às tensões mecânicas, devido à magnetoestricção do CFO, era a contribuição dominante. Isto indica que para concentrações de CFO na região de 40- 50% estamos nas condições favoráveis para a existência do acoplamento magnetoeléctrico entre as fases.

Thin films nanocomposites of cobalt ferrite (CoFe2O4-magnetostrictive) dispersed in a lead niobate (PbNb2O6-piezoelectric) matrix were prepared by pulsed laser ablation. The result shows that the films are polycrystalline. For low deposition temperatures (Tdep) and low target-to-substrate distance (dST) the composites are composed by CoFe2O4 with cubic phase, along with excess-lead (cubic) lead-niobate phases. As Tdep and dST increase, the non-stoichiometric phases in the composites are strongly reduced, so that at Tdep = 600ºC and dST = 9cm the films present only the orthorhombic- PbNb2O6. The grain size of the prepared samples, obtained from the X-ray diffraction peak widths are in the range 17nm to 49 nm for PbNb2O6, while the lattice parameter was similar to the bulk value. Raman spectroscopy show a decrease of CFO peaks as its concentration decreases and, on the contrary, we see an increase of the PNO peaks. Through the peak corresponding to the CFO located in 480cm-1, it appears that there is a shift towards lower wavelength, indicating that the material has a tendency to compress as the concentration of PNO increases. The magnetic measurement shows a decrease of the coercive field (Hc) with increasing cobalt ferrite content in the films. On the low concentration region, where the magnetic grains are more isolated, Hc is higher. As the cobalt ferrite concentration increases, the nanograins start to form larger clusters of less isolated nanoparticles, inter-particle interaction is higher and, correspondingly, the coercive field decreases with increasing cobalt ferrite content. The values of the different contributions for the magnetic anisotropy of the films were calculated and compared with the one experimentally determined for the perpendicular anisotropy. In consequence, the dominance of a stress induced perpendicular magnetic anisotropy was determined and the decrease of HA with increasing CoFe2O4 concentration was observed to be due to the relaxation of the stress in the nanocomposites, indicating that we are in the region favourable for the existence of the magnetoelectric effect.