Synthesis and characterization of magnetoelectric/multiferroic ceramics

Abstract

Materiais magnetoelétricos e multiferróicos que exibem simultaneamente propriedades ferroelétricas e ferromagnéticas, têm suscitado um crescente interesse na comunidade científica para o desenvolvimento de materiais multifuncionais. Neste trabalho pretendeu-se fabricar materiais cerâmicos multiferroicos e realizar um estudo do acoplamento entre propriedades magnéticas e as propriedades piezoelétricas/ferroelétricas dos compósitos. Assim, foram realizados estudos sobre a síntese das hexaferrites (BaFe12O19, SrFe12O19, Ba3Co2Fe24O41 e Sr3Co2Fe24O41), com diferentes temperaturas de reacção e diferentes métodos de preparação: reação de estado sólido, co-precipitação, sol-gel e combustão de citratos. De seguida, foram preparados compósitos de hexaferrites e piezoelétricos, nomeadamente BaTiO3 e K0.5Na0.5NbO3 (KNN), foram realizadas as prensagens: uniaxial e isostática a frio. A densidade relativa obtida após a sinterização foi 85% da densidade teórica nos compósitos com BaTiO3 e 81% nos compósitos com KNN. Foram efetuadas medições magnéticas, nomeadamente por microscópia de força magnética e magnetometria por vibração de amostra, e medições piezoelétricas, por microscópia de força piezoelétrica. Em alguns compósitos foi detetada a inter-difusão de átomos do bário e estrôncio produzindo várias fases secundárias diminuindo o efeito piezoelétrico. As medições magnéticas mostraram que os compósitos com ferrites duras (BaFe12O19 e SrFe12O19) formaram um ciclo de histerese com maior área do que os compósitos com ferrites macias (Ba3Co2Fe24O41 e Sr3Co2Fe24O41). Alguns compósitos demonstram acoplamento magnetoelétrico significativo.

Magnetoelectric and multiferroic materials that exhibit both ferroelectric and ferromagnetic properties, have raised great interest in the scientific community for the development of multifunctional materials. In this work we intended to fabricate multiferroic ceramics and to study the coupling between magnetic properties and piezoeletric/ferroelectric properties of composite materials. Synthesis of hexaferrites (BaFe12O19, SrFe12O19, Ba3Co2Fe24O41 and Sr3Co2Fe24O41), was undertaken with different reacting temperatures and different preparation methods: solid state reaction, coprecipitation, sol-gel and citrate. Also we performed analysis by XRD and determined the phases of each material. We prepared composites of hexaferrites and piezoelectric phases (BaTiO3, KNN) with uniaxial pressing and cold isotactic pressing. BaTiO3 composites have shown a relative density of 85% compared with the theoretical density and the KNN composites had a maximum density of 81%. We performed magnetic (MFM and VSM), and piezoelectric (PFM) measurements, and it was verified that in some composites we observed diffusion of atoms between barium and strontium sources producing new phases lowering the piezoelectric effect. In the magnetic analysis it also was verified that the hard ferrites formed hysteresis loops with greater area than the soft ferrites. It was found that some composites demonstrate capable magnetoelectric coupling.