Multiferroic behaviour of bismuth ferrite porous thin films

Abstract

An enormous contribution in the scientific community of material engineering is being made by the exceptionally rapid evolution of the field of multifunctional materials. Multiferroics combine simultaneously at least two of the three ferroic properties: ferroelectricity, ferromagnetism and ferroelasticity. Magnetoelectric multiferroics’ ability of magnetic field manipulation via electric fields or vice versa can be extremely promising for information storage applications, leading to thinner, as well as flexible devices, with significantly high energetic efficiencies and elevated capacities. The aim of this work is the preparation and characterization of bismuth ferrite porous thin films, having as further objective to be able to serve as matrices for future functionalization. The strategy of this work consists of: a) dense film preparation with varying deposition velocities, b) porous film preparation with varying solution template quantities, inorganic precursor concentration and deposition velocities. Annealing temperature studies were also required, for the obtainment of the desired properties and control of microstructure. The methodologies for the film preparation in use were: a) sol-gel process, b) Evaporation Induced Self-Assembly (EISA), for the induction of porosity, and c) dip-coating technique. A series of dense films with varying deposition velocities were produced, serving as means of comparison for the porous thin films. Increasing the sol-gel deposition velocity led to increasing thickness. Piezoresponse Force Microscopy (PFM) characterization was conducted, revealing the expected ferroelectric domains. By the same technique, local piezoelectric hysteresis loops were obtained, showing increase of polarization saturation with increasing thickness. Lastly, magnetic moment measurements were carried out by the use of Superconducting Quantum Interference Device (SQUID), presenting decrease of remnant magnetization with increasing thickness. Varying template concentration was introduced in order to obtain a homogenous porous network. Homogeneity and lack of cracks in the films were successfully achieved, by decreasing solution template mass, for a given solution concentration. Thermal treatment studies revealed loss of porous network ordering at elevated annealing temperatures, required for the obtainment of crystallization and enhanced multiferroic properties. Local piezoelectric hysteresis loops showed increase of the effective piezoelectric coefficient with increasing thickness. SQUID characterization presented increasing remnant magnetization with increasing porosity. Lastly, increasing inorganic precursors concentration resulted in better control of porosity order and increase in the piezoelectric coefficient.

Uma enorme contribuição na comunidade científica da Engenharia de Materiais tem sido feita pela evolução excecionalmente rápida no âmbito dos materiais multifuncionais. Os multiferróicos combinam simultaneamente pelo menos duas das três propriedades ferróicas: ferroeletricidade, ferromagnetismo e ferroelasticidade. Os multiferróicos magnetoelétricos que permitem a manipulação do campo magnético através do campo elétrico e vice versa são extremamente promissores para aplicações de armazenamento de informação, levando a dispositivos mais finos e flexíveis com eficiência energética significativamente mais alta e elevadas capacidades. O objetivo deste trabalho é a preparação e caracterização de filmes porosos de ferrite de bismuto, com vista a serem capazes a uma futura funcionalização. A estratégia deste trabalho consiste: a) preparação de filme denso variando a velocidade de deposição, b) preparação de filme poroso variando o template da solução concentração do precursor inorgânico, e velocidades de deposição. Os estudos sobre temperatura de calcinação são também necessários, para a obtenção das propriedades requeridas e o controlo da microestrutura. As metodologias para a preparação dos filmes foram: a) sol-gel, b) Evaporation Induced Self-Assembly, para a indução da porosidade, e c) dip-coating. Foi preparada uma série de filmes densos variando a velocidade de deposição, servindo como meio de comparação para os filmes porosos. Aumento da velocidade de deposição resulta em aumento da espessura dos filmes. Foi utilizada a caracterização por piezoresponse force microscopy (PFM), revelando domínios ferroelétricos como esperado. Pela mesma técnica, foram obtidas curvas de histerese piezoelétricas locais mostrando o aumento da saturação da polarização com o aumento da espessura. Por fim, as medidas dos momentos magnéticos foram obtidos através do Superconducting Quantum Interference Device (SQUID), apresentando uma diminuição da magnetização remanescente com o aumento da espessura. A variação da concentração do template foi introduzida de modo a obter uma porosidade homogénea. A homogeneidade e ausência de fissuras nos filmes foi conseguida com sucesso pela diminuição da massa do template da solução, para uma determinada concentração da solução. Os estudos do tratamento térmico revelou a perda da porosidade ordenada para temperaturas mais elevadas, necessárias para a obtenção da cristalização e melhoria das propriedades multiferróicas. As curvas de histerese piezoelétrica local mostraram um aumento do coeficiente efetivo piezoelétrico com o aumento da espessura. A caracterização por SQUID apresentou um aumento da magnetização remanescente com o aumento da porosidade. Por fim, o aumento da concentração dos precursores inorgânicos resulta em um melhor controlo da ordem da porosidade e aumento do coeficiente piezoelétrico.