Ученые выяснили, как самарий меняет свойства феррита висмута

Ученые Дагестанского государственного университета (ДГУ) совместно с коллегами из Институт физики им. Х.И. Амирханова Дагестанского ФИЦ РАН, ЮФУ и Университета Брно (Чехия) установили, что замещение висмута самарием в феррите висмута позволяет управлять его кристаллической структурой и дефектностью, что напрямую влияет на магнитные и электрические свойства материала. Разработанный подход открывает путь к созданию более эффективных и надежных компонентов для энергонезависимой памяти, спинтроники и сверхчувствительных датчиков, работающих при комнатной температуре.

Феррит висмута (BiFeO₃) относится к классу мультиферроиков — веществ, в которых одновременно сосуществуют несколько типов ферроического упорядочения, включая сегнетоэлектрическое, антиферромагнитное и ферроупругое. Они могут поляризоваться под действием электрического поля и намагничиваться от внешнего магнитного поля. Уникальность феррита висмута в том, что его сегнетоэлектрический переход происходит при 830 °C, а антиферромагнитный — при 370 °C, что делает его одним из немногих материалов, пригодных для практического использования при комнатной температуре.

Однако у этого замечательного материала есть два серьезных недостатка, которые ограничивают возможность его практического применения. Во-первых, в объемных образцах феррита висмута магнитная структура устроена довольно сложно: спины ионов железа выстраиваются в ней не просто параллельно или антипараллельно, а образуют длиннопериодическую спираль. Во-вторых, синтез чистого феррита висмута осложняется узким температурным интервалом его стабильности. Из-за этого нередко образуются примесные фазы, а также увеличивается концентрация кислородных вакансий, что приводит к росту токов утечки и ухудшению диэлектрических свойств.

Авторы предложили подход, позволяющий одновременно решить обе эти проблемы. Он основан на изовалентном замещении части ионов висмута ионами самария (Sm³⁺). Самарий, как и висмут, трехвалентен, однако его ионный радиус меньше, поэтому при таком замещении в кристаллической решетке возникает внутреннее химическое давление. Оно приводит к структурным изменениям, способствует подавлению циклоидальной спиновой структуры и влияет на дефектную химию материала.

Рентгенофазовый анализ с последующим уточнением структуры по Ритвельду показал, что самарий активно «перестраивает» кристаллическую матрицу, создавая условия для изменения физических свойств вещества. Полученные результаты подтвердились в ходе анализа методом инфракрасной спектроскопии.

Но наиболее глубокие результаты были получены с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Этот метод позволяет не только определить элементный состав поверхности, но и установить валентные состояния атомов. Анализ показал, что висмут во всех образцах находится в трехвалентном состоянии (Bi³⁺). То же самое относится и к самарию: его 3d-уровни соответствуют Sm³⁺.

Количественный анализ показал, что введение самария до 10 % увеличивает концентрацию дефектов, что может существенно влиять на электронный транспорт и магнитные свойства.

«Корреляция между ростом доли Fe²⁺ и кислородных вакансий указывает на то, что дефекты выступают не просто паразитными включениями, а активными центрами, управляющими функциональными характеристиками. Именно в области морфотропной границы, при x = 0,10, мы наблюдаем максимальную дефектность, и это не случайно — именно здесь свойства материала претерпевают кардинальные изменения», — рассказал один из авторов исследования, сотрудник физико-технического факультета ДГУ, кандидат физико-математических наук Нариман Алиханов.

По словам ученых, полученные результаты убедительно демонстрируют, что замещение висмута самарием — это мощный и гибкий инструмент для управления свойствами феррита висмута. Путем изменения концентрации самария можно целенаправленно переключать кристаллическую структуру, регулировать концентрацию дефектов (кислородных вакансий и ионов Fe²⁺), усиливать магнитный отклик за счет разрушения циклоиды и модулировать механизмы электропроводности.

Оптимальным составом, сочетающим максимальную намагниченность и сбалансированные транспортные свойства, оказался Bi₀,₉Sm₀,₁FeO₃. Именно этот материал, по мнению исследователей, может стать наиболее перспективным кандидатом для практических применений — от мультибитовых ячеек памяти до беспроводных датчиков и фотокаталитических систем.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации