Orientadores: Gaston Eduardo Barberis, Eduardo Granado Monteiro da Silva / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-25T18:32:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 CalderonFilho_CesarJose_D.pdf: 5035446 bytes, checksum: fcbe04000b9cbb2451812618227a75ac (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Este trabalho é dedicado ao estudo dos multiferróicos, um tipo especial de sistema de elétrons fortemente correlacionados. Foram analisadas teoricamente estas substâncias e estudada a família LiMPO4 (M: Mn, Fe, Co, Ni) em particular. Este trabalho focou particularmente no composto de Mn, LiMnPO4, onde foram utilizados os dados existentes e os recém obtidos de espalhamento inelástico de nêutrons (INS), magnetização, espalhamento Raman e ressonância paramagnética eletrônica (ESR) para modelar as interações magnéticas presentes no material. Os resultados obtidos em monocristais deste composto permitem refinar o conhecimento das interações magnéticas do mesmo. O modelo desenvolvido realiza um ajuste simultâneo dos novos dados de espalhamento Raman e os já publicados de INS, mostrando uma clara interpretação do papel dos parâmetros de troca no material escolhido. É esperado que este cálculo seja estendido para toda a família e para outros compostos. Esta tese tenta ser auto-contida, por isso incluiu-se boa parte do material necessário para o leitor e futuros continuadores deste trabalho / Abstract: This work is devoted to the study of an special type of strongly correlated electrons\' compounds, namely the multiferroics. We analyze theoretically those substances, and we study a particular family of them, the LiMPO4 (M: Mn, Fe, Co, Ni) family. We focus particularly in the Mn compound, LiMnPO4, where we use existing and newly obtained data from Inelastic Neutron Scattering, Magnetization, Raman Scattering and Electron Spin Resonance to model the magnetic interactions in the material. The results in single crystals of this compound allow us to refine the knowledge of the magnetic interactions in LiMnPO4. Our model develops a calculation that fits together the new Raman experiments and the already published INS, arriving to a clear interpretation of the role of the exchange parameters in the chosen material. We expect that our calculation will be extended in the future to the whole family and to other compounds. This thesis tried to be self-contained, so we included some material that can be useful for the readers and future continuators of this work / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4435.pdf: 5925969 bytes, checksum: 6fa4eded6f756e78f21d2f8b5b9767e8 (MD5) Previous issue date: 2009-09-03 / Financiadora de Estudos e Projetos / In recent years the necessity of new devices, in the electroelectronic industry, has lead to an increasing interest in materials called magnetoelectric (ME) or multiferroic (MF). Multiferroic is the term used to classify the materials that exhibit magnetic and electric orders simultaneously. In this sense, the idea of producing materials and smart devices have attracted the attention of many researchers from different fields of knowledge. From the technological point of view, the simultaneous mutual control of electrical and magnetic properties generates new possibilities of applications. However the number of candidate for these applications materials is limited and the effects are typically very small and in some cases observed in the low temperature. Therefore, the search for room temperature multiferroic materials is very import for technological application of these materials as well as from the academic stand point. This work aimed the preparation of new multiferroic materials suitable for technological application. We performed a systematic study on the preparation of composites. Both compounds were synthesized using Pechini method, further, they were characterized by dilatometry, densification, X-ray diffraction, electronic microscopy, magnetization and resistivity measurements. We found the best results for the manganite prepared from solution with pH=0 and then calcinated at 900 for 6 hours. After that, the powder were sinterized at 1000 for 2 hours. For bfor 2 hours. / Nos últimos anos a necessidade de novos dispositivos, na indústria de eletro-eletrônicos, tem conduzido a um crescente interesse pelos materiais denominados magnetoelétricos (ME) ou multiferróicos (MF). Multiferróico é o termo usado para classificar os materiais que exibem simultaneamente ordenamentos magnéticos e elétricos. Neste sentido, a idéia de se produzir materiais e dispositivos inteligentes têm atraído a atenção de muitos pesquisadores das mais diversas áreas do conhecimento. Do ponto de vista tecnológico, o controle mútuo de propriedades elétricas e magnéticas gera diversas possibilidades de aplicações. No entanto o número de materiais candidatos é limitado e os efeitos são tipicamente muito pequenos e em alguns casos observados na região de baixa temperatura. A procura de materiais com acoplamento magnetoelétrico significativo a temperatura ambiente é, pois, de grande importância tecnológica assim como de ciência básica. Neste sentido, o presente projeto de pesquisa objetivou a obtenção de novos materiais multiferróicos que possuíam propriedades interessantes para aplicação tecnológica. Realizamos um estudo sistemático do processo de preparação de compósitos de manganita e piezoéletrico em particular. Os materiais foram preparadas pelo método de Pechini e caracterizadas através de dilatometria, densificação, microscopia eletrônica, difração de raio X, magnetização e resistividade. Para a formação da fase manganita observamos que os melhores resultados foram obtidos mantendo a pH da solução a zero, e posteriormente calcinadas a 900 por 6 horas. Já para o titanato de bário as condições que apresentaram melhor resultado foram 1000 por 2 horas.

Submitted by Daniele Amaral (daniee_ni@hotmail.com) on 2016-10-07T19:22:08Z No. of bitstreams: 1 TeseRRGP.pdf: 3041523 bytes, checksum: f8585bab1f9c1565717516794f4e8831 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-20T19:31:28Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseRRGP.pdf: 3041523 bytes, checksum: f8585bab1f9c1565717516794f4e8831 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-20T19:31:35Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseRRGP.pdf: 3041523 bytes, checksum: f8585bab1f9c1565717516794f4e8831 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-20T19:31:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseRRGP.pdf: 3041523 bytes, checksum: f8585bab1f9c1565717516794f4e8831 (MD5) Previous issue date: 2015-09-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / This study analyses the relationships between synthesis routes and physical properties of the composite system 67.5(PbMg1/3Nb2/3O3) +32.5(PbTiO3), or simply PMN-PT, as ferroelectric phase and BaFe12O19, or BaM, as magnetic phase. The choice of phases was based on the exceptional properties that both PMN-PT and BaM possess: solid solutions of the complex perovskite PMN-PT in both monocrystalline and polycrystalline forms, particularly those whose composition lies within the region of morphotropic boundary phases, have the largest known piezoelectric coefficients. BaM, or barium hexaferrite, presents relatively high property anisotropy due to its hexagonal crystal structure (expressed in particles that grow in nonequiaxed format) and easy magnetization along the c-Crystallographic axis. Thus, the main objective of this work was to obtain and characterize magnetoelectric composites (either volumetric or as two-dimensional nanostructures) textured from PMN-PT/BaM, by exploiting the quasi-piezomagnectic characteristics and the microstructural, crystallographic and magnetic anisotropyof the BaM phase. With a molar ratio of 80/20 between the ferroelectric and magnetic phases, different routes of synthesis and processing were used for the production of threedimensional ceramic composites with 0-3 connectivity, or thin films with 0-3 and 2-2 connectivity.The Pechini, sol-gel, co-precipitation,and solid state reaction techniques were applied for the synthesis of powders and/or solutions; the pressure-assisted sintering method was used for the densification of three-dimensional bodies; and the spin-coating technique was employed for the deposition of films. Physical, electrical, magnetic and magnetoelectric characterizations were performed in order to clarify the influence of the BaM phase upon composites of different configurations. In a prospective yet not exhaustive manner, relations were assessed among the experimental parameters of the various synthesis routes (with greater focus on the barium hexaferrite phase) and the production of ceramic composites of PMNPT/ BaM system. It was found that the final characteristics of the prepared materials, particularly the hysteresis behavior of the magnetoelectric coefficient as a function of applied magnetic field, were highly susceptible to variations in the morphology, size and orientation of barium hexaferrite grains, which, in turn, depended on the synthesis and sintering routes applied. / Realizaram-se estudos de síntese e de caracterização das propriedades físicas do sistema compósito 67,5(PbMg1/3Nb2/3O3) +32,5(PbTiO3), ou simplesmente PMN-PT, como fase ferroelétrica, e da BaFe12O19, ou BaM, como fase magnética. A escolha dessas fases baseou-se nas propriedades excepcionais que ambas apresentam. A perovskita complexa PMN-PT, tanto na forma monocristalina como policristalina, apresenta soluções sólidas com os maiores coeficientes piezoelétricos conhecidos, particularmente as de composição na região do contorno morfotrópico de fases, como é o caso da 32,5%mol de PT. A fase BaM, ou hexaferrita de bário, apresenta relativamente alta anisotropia de propriedades magnéticas devido à sua estrutura cristalográfica hexagonal (refletida em partículas que crescem em formato não equiaxial) e fácil magnetização ao longo do eixo cristalográfico-c. O objetivo principal deste trabalho foi a obtenção e a caracterização de compósitos magnetoelétricos (volumétricos ou como nanoestruturas bidimensionais) texturados de PMN-PT/BaM, explorando-se as características quasi-piezomagnéticas e a anisotropia microestrutural/cristalográfica/magnética da fase BaM. Com uma proporção molar de 80/20 entre a fase ferroelétrica e a magnética, foram utilizadas diferentes rotas de síntese e de processamento de materiais para a produção de compósitos com conectividade 0-3, quando no caso de corpos cerâmicos volumétricos; ou 0-3 e 2-2, quando no caso de filmes finos. Os métodos Pechini, sol-gel, de copreciptação e de reação no estado sólido foram utilizadas na síntese dos pós e/ou soluções; o método de sinterização assistida por pressão, para a densificação dos corpos volumétricos, e a técnica “spin-coating”, para a deposição dos filmes. As caracterizações físicas, elétricas, magnéticas e magnetoelétricas buscaram evidenciar a influência das propriedades da fase BaM nas diferentes configurações de compósitos. De forma prospectiva e ainda não exaustiva, foram avaliadas as relações entre os parâmetros experimentais das diversas rotas de síntese (com maior foco na fase hexaferrita de bário) e a produção de compósitos cerâmicos do sistema PMN-PT/BaM. Encontrou-se que as características finais dos materiais preparados, em especial o comportamento histerético do coeficiente magnetoelétrico em função do campo magnético aplicado, foram altamente susceptíveis às variações da morfologia, tamanho e orientação dos grãos da hexaferrita de bário, que, por sua vez, dependem das rotas de síntese e de sinterização aplicadas.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Hybrid nanostructures which integrate two or more technologically interesting physical properties are fundamental for developing new generations of electronic devices. Exhibiting at least two coupled ferroic orders, multiferroics are an outstanding class of multifunctional materials. Compounds which present coupling between ferromagnetism and ferroelectricity are specially interesting. Although natural multiferroics are rarely found, the possibility of obtaining strain-mediated magnetoelectric coupling in composite structures, by integrating magnetostrictive and piezoelectric layers, paves the way to control electric properties by applying magnetic field or to the electric control of magnetism. Nevertheless, most scientific efforts have been on monophasic compounds or bulk composites. Considering the incorporation of magnetoelectric nanostructures in devices, expanding the scope of the magnetoelectric effect and targetting it to different kinds of applications is needed. Besides new characterization techniques, seeking new alternative materials to the lead-based piezoelectrics or oxide-based magnetostrictives is necessary. Recently, a few works using semiconductors such as ZnO and AlN, or amorphous magnetic alloys such as those based on Co, Fe and Ni, have been reported. In spite of not presenting remarkable piezoelectric and magnetostrictive effects, the features of such materials are promising for high frequency applications, for instance. Considering these issues, four independent surveys are presented. Firstly, the origin of the coupling, latest advances and current scenario of the field are reviewed. Then magnetostriction measurements in thin films are addressed by employing a direct technique based on the cantilever-capacitance method. The goals are to study magnetoelastic properties of some materials whose magnetostriction are not found very often in literature, and to check the reliability of this technique for investigating thin films. In this sense, measurements of some amorphous magnetic alloys mainly based on Co, Fe and Ni are performed. Most samples presents larger magnetoelastic response for magnetic field applied along the magnetization easy axis, as opposed to the theoretically expected. Two investigations on aluminum nitride thin films are reported. Firstly, the growth of AlN films onto several different substrates and buffer layers is studied. Films grown onto glass and polyimide show excellent structural properties for eletromechanical systems and flexible electronics applications. Samples with low residual stress on silicon substrates, suitable for incorporating in existing technologies, are obtained. Secondly, bilayers composed by AlN and ferromagnetic films are investigated. In addition to the structural and morphological properties of the AlN films which are checked, the magnetic characterization of the structures also contributes to design multilayers for exploring the magnetoelectric effect. Finally, problems involving electric fields in scanning probe microscopies are adressed. Surface images of AlN piezoelectric films are systematically acquired. Among other major observations, the possibility of getting reliable piezoresponse images of strongly polarized areas as well as of visualizing ferroelastic domains, is demonstrated. Furthermore, a new microscopy for investigating a sample s ferro and piezoelectric properties is proposed, exploring the direct piezoelectric effect. By utilizing acoustic excitation and electrical detection, the potency of this technique is illustrated with measurements on quartz and AlN surfaces. / Nanoestruturas híbridas, integrando duas ou mais propriedades físicas de grande interesse tecnológico, são fundamentais para o desenvolvimento de novas gerações de dispositivos eletrônicos. Uma classe interessante de materiais multifuncionais são os multiferróicos, que exibem pelo menos duas ordens ferróicas acopladas. Dentre eles, os que apresentam acoplamento entre ferromagnetismo e ferroeletricidade despertam interesse especial. Apesar de serem raros de ocorrer naturalmente, a possibilidade de gerar efeito magnetoelétrico em estruturas compósitas, intermediado pela deformação elástica entre camadas magnetostrictivas e piezoelétricas, abre caminho para que seja possível controlar propriedades elétricas aplicando-se campo magnético, ou propriedades magnéticas aplicando-se campo elétrico. Todavia, a maior parte das pesquisas atuais ainda envolve compostos monofásicos ou compósitos em forma massiva. Tendo em vista a incorporação de nanoestruturas magnetoelétricas em dispositivos, é fundamental ampliar a abrangência do efeito magnetoelétrico e direcioná-lo para diferentes tipos de aplicações. Para isto, além de novas técnicas de caracterização, é necessário buscar-se materiais alternativos aos tradicionais piezoelétricos baseados em chumbo e magnetostrictivos baseados em óxidos. Recentemente tem-se encontrado trabalhos pontuais onde são utilizados piezoelétricos semicondutores como ZnO e AlN, e ligas magnéticas amorfas como as baseadas em Co, Fe e Ni. Mesmo sem apresentar efeitos piezoelétrico e magnetostrictivo com magnitudes notáveis, as características destes materiais são promissoras para aplicações envolvendo altas frequências, por exemplo. Neste necessário, são apresentados quatro estudos independentes entre si. Primeiramente, é realizada uma revisão sobre a origem do acoplamento, os últimos avanços e o panorama atual das pesquisas na área. Em seguida, através de uma técnica direta baseada no método do cantiléver-capacitância, aborda-se o problema das medidas de magnetostricção em amostras na forma de filmes finos. Os objetivos são estudar as propriedades magnetoelásticas em alguns materiais que não são frequentemente abordados pela literatura, e avaliar a potencialidade da técnica para a análise de filmes finos. Para isto, são realizadas medidas principalmente em ligas ferromagnéticas amorfas baseadas em Co, Fe e Ni. Para a maioria das amostras analisadas, a resposta magnetoelástica é maior quando o campo magnético é aplicado na direção do eixo de fácil magnetização, de forma contrária à esperada teoricamente. São apresentadas duas investigações envolvendo filmes finos de nitreto de alumínio. Primeiro é estudado o crescimento de filmes de AlN sobre vários substratos e camadas semente. Filmes crescidos sobre vidro e poliimida apresentam excelentes propriedades estruturais para aplicações em sistemas eletromecânicos e eletrônica flexível. Amostras obtidas com baixos valores de tensão residual, sobre substratos de silício, são interessantes para incorporação em tecnologias existentes. Segundo, são investigadas bicamadas de AlN com filmes ferromagnéticos. Além das propriedades estruturais e morfológicas dos filmes de AlN, a análise das características magnéticas das estruturas contribui para o design de multicamadas que exploram o efeito magnetoelétrico. Finalmente, são abordados problemas em medidas de microscopias de varredura por sonda envolvendo campos elétricos. Imagens da superfície de filmes piezoelétricos de AlN foram coletadas sistematicamente. Entre outras observações importantes, demonstra-se que é possível adquirir imagens confiáveis de piezo-resposta em regiões fortemente polarizadas, e visualizar a formação de domínios ferroelásticos. Também é proposta uma nova técnica de microscopia, para investigar as propriedades ferro e piezoelétricas de uma amostra, explorando o efeito piezoelétrico direto. Utilizando excitação acústica e detecção elétrica, o potencial da nova técnica é demonstrado com imagens de superfícies cristalinas de quartzo e AlN.