Esta tesis trata sobre los magnetoel ectricos multiferroicos, una clase relativamente
nueva de materiales descubiertos a mediados del siglo pasado, que presentan
simultaneamente ferroelectricidad y magnetismo. El BiFeO3 (BFO) es un oxido
con estructura perovskita, el cual es uno de los pocos materiales multiferroicos
a temperatura ambiente. Sin embargo, como sus temperaturas de ordenamiento
ferroel ectrico y anti-ferromagn etico son relativamente altas (alrededor de 1100 K
y 640 K, respectivamente), las respuestas electromec anica y magnetoel ectrica del
BFO son relativamente peque~nas en condiciones ambientales.
En esta tesis se utilizamos m etodos ab-initio, basados en la teor a del funcional
de la densidad (DFT), para estudiar las propiedades del BFO, y proponemos una
posible estrategia para la mejora de su respuesta. Hemos utilizado m etodos de
primeros principios para llevar a cabo una b usqueda sistem atica de las fases potencialmente
estables de este compuesto. En la que consideramos las distorsiones
m as comunes entre los oxidos de tipo perovskita y encontrando un gran n umero
de m nimos locales de la energ a. En este trabajo se discute la gran variedad de
estructuras de baja simetr a descubiertas, as como las implicaciones de estos hallazgos
en cuanto a los trabajos experimentales mas recientes sobre este compuesto.
Tambi en se llev o acabo un estudio de la soluci on s olida Bi1 ��xLax FeO3 (BLFO)
formada por la BFO y la LaFeO3 (LFO)antiferromagnetica parael ectrica. Se discuten
las transformaciones estructurales que sufre BLFO en funci on del contenido
de La, y la conexi on de nuestros resultados con los estudios cristalogr a cos existentes.
Hemos encontrado que, en una amplia gama de composiciones intermedias,
la BLFO presenta fases que son esencialmente degeneradas en energ a. Adem as, los
resultados sugieren que para este compuesto, dentro de esta regi on morfotr opica
inusual, se puede utilizar un campo el ectrico para inducir transiciones parael ectrico
a ferroel ectrico. Tambi en se discuten las propiedades de respuesta de la BLFO y se
demuestra que se pueden mejorar signi cativamente en los materiales puros BFO
y LFO, mediante la sustituci on parcial de los atomos Bi y La .
Por otra parte, se presenta tambi en un estudio de primeros principios de la BFO a
altas presiones. En el cual explicamos la naturaleza de las transiciones de fase del
BFO, que simult aneamente involucran un colapso del volumen, un cambio en el
estado de spin de High spin a Low spin y una metalizaci on producto del desorden
magn etico en la nueva fase.
Por ultimo presentamos los resultados preliminares de un proyecto en marcha, en el
cual estamos modelando la energ etica de las rotaciones de los octaedros de oxigeno
en los oxidos de estructura perovskita. Para ello se ha expandido la energ a en
funci on de los par ametros de orden que caracterizan dichas rotaciones hasta cuarto
orden. Hemos teado el modelo a los resultados de nuestros c alculos de primeros
principios y realizado una comprobaci on cuidadosa de su valides, determinando
que es necesario recurrir a ordenes mas altos en nuestra teor a. / This work is about magnetoeltric multiferroics, a relatively new class of ma-
terials discovered by the mid of the past century, which involve simultaneously
ferroelectricity and magnetism. Perovskite oxide BiFeO3 (BFO) is one of the few
multiferroic materials at room temperature. However, as its ferroelectric and anti-
ferromagnetic transition temperatures are relatively high (about 1100 K and 640
K, respectively), BFO's electromechanical and magnetoelectric responses are small
at ambient conditions.
In this thesis we used ab-initio methods, based on density functional theory, to
study the basic properties of BFO and proposed possible strategies for enhancing
its response. We used rst-principles methods to perform a systematic search for
potentially stable phases of BFO. We considered the distortions that are most
common among perovskite oxides and found a large number of local minima of the
energy. We discussed the variety of low-symmetry structures discovered, as well
as the implications of these ndings as regards current experimental work on this
compound.
We also carried out a study of the Bi1 �xLaxFeO3 (BLFO) solid solution formed
by multiferroic BFO and the paraelectric antiferromagnet LaFeO3 (LFO). We dis-
cussed the structural transformations that BLFO undergoes as a function of La
content and the connection of our results with the existing crystallographic stud-
ies. We found that, in a wide range of intermediate compositions, BLFO presents
competitive phases that are essentially degenerate in energy. Further, our results
suggested that, within this unusual morphotropic region, an electric eld might
be used to induce various types of paraelectric-to-ferroelectric transitions in the
compound. We also discussed BLFO's response properties and showed that they
can be signi cantly enhanced by partial substitution of Bi/La atoms in the pure
BFO and LFO materials. We analyzed the atomistic mechanisms responsible for
such improved properties and showed that the e ects can be captured by simple
phenomenological models that treat explicitly the composition x in a Landau-like
potential.
Furthermore, we performed a rst-principles study of BFO at high pressures. Our
work revealed the main structural change in Bi's coordination and suppression of
the ferroelectric distortion, electronic spin crossover and metallization, and mag-
netic loss of order e ects favored by compression and how they are connected. Our
results are consistent with and explain the striking manifold transitions observed
experimentally
We conclude our thesis presenting the preliminary results of an ongoing project
in which we are modeling the energetics of the oxygen octahedra rotations in per-
ovskite oxides. The model is tted to the rst-principles results and a careful check
of its validity is carried out.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/96248 |
| Date | 06 July 2012 |
| Creators | González Vázquez, Otto E. |
| Contributors | Íñiguez González, Jorge, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física |
| Publisher | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Source Sets | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Language | English |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 123 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess, ADVERTIMENT. L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/es/ |
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