Micro- e Nanofibras combinando materiais ferromagnéticos e ferroelétricos por eletrospinning

Abstract

O estudo de nanofibras com diâmetros sub-micrométricos tem atraído, recentemente, grande interesse dada a sua baixa dimensionalidade, que permite criar dispositivos com resolução nanométrica. O conceito de nanofibras magnetoelétricas baseia-se na inserção de compostos ferroelétricos e magnetostritivos, que irão acoplar-se mecanicamente, numa matriz polimérica a partir de uma solução percursora. A técnica de electrospinning apresenta uma grande versatilidade que permite um controlo efetivo da morfologia das nanofibras, sendo possível obter diâmetros inferiores ao mícron e comprimentos muito longos. Assim, neste trabalho são preparadas nanofibras magnetoelétricas compósitas a partir de um acoplamento mecânico de 1 fase de niobato de lítio com 1 fase de ferrite de cobalto, com diferentes percentagens estequiométricas das 2, sendo depois as fibras sujeitas a recozimento. O niobato de lítio (LNO) é um material ferroelétrico que apresenta elevadas propriedades piezoelétricas, piroelétricas, eletro-ópticas, birrefringentes, fotorrefrativas e fotoelásticas. Por outro lado, a ferrite de cobalto (CFO) apresenta uma anisotropia magnetocristalina alta e magnetostricção elevada. Medidas de difração de raios-X mostram que as fibras são policristalinas, com a estrutura cristalina pretendida para as fases de LNO e CFO. A microscopia eletrónica de varrimento, mostrou que grande parte das amostras apresenta estrutura de nanofibras com diâmetros na ordem das centenas de nanómetros, sendo que a temperatura de recozimento selecionada (650°C) terá sido excessiva para amostras com fase de LNO muito predominante. Utilizando o modelo de Havriliak-Negami e incluindo uma contribuição de condutividade, modelizou-se e ajustou-se a componente imaginária do módulo elétrico, obtido com espetroscopia de impedâncias, para obter os tempos de relaxação e energias de ativação. É, então, apresentada a influência da quantidade da fase de LNO e CFO nas propriedades dielétricas das amostras.

The study of nanofibers with sub-micrometer diameters has recently attracted great interest given their low dimensionality which allows the creation of devices with nanometric resolution. The concept of magnetoelectric nanofibers is based on the insertion of ferroelectric and magnetostrictive compounds, that will mechanically couple together, in a polymer matrix through a precursor solution. The electrospinning technique has great versatility, which allows an effective control of the morphology of the nanofibers, being possible to obtain diameters smaller than the micron and with long lengths. Thus, in this work, composite magnetoelectric nanofibers are prepared from a mechanical coupling of a lithium niobate phase with a cobalt ferrite phase, with different stoichiometric percentages of the 2, after which the fibers are subjected to annealing. Lithium niobate (LNO) is a ferroelectric material that has high piezoelectric, pyroelectric, electro-optical, birefringent, photorefractive and photoelastic properties. On the other hand, cobalt ferrite (CFO) has a high magnetocrystalline anisotropy and high magnetostriction. X-ray diffraction measurements show that the fibers are polycrystalline, with the desired crystal structure for the LNO and CFO phases. Scanning electron microscopy showed that most samples have a nanofiber structure with diameters in the hundreds of nanometers, and the selected annealing temperature (650°C) was excessive for samples with a very predominant LNO phase. Using the Havriliak-Negami model and including a contribution of conductivity, the imaginary component of the electrical modulus, obtained with impedance spectroscopy, was modeled and adjusted to obtain relaxation times and activation energies. The influence of the amount of the LNO and CFO phase on the dielectric properties of the samples is then presented.