Сегнетомагнетики

Сегнетомагне́тики, кристаллы, в которых одновременно сосуществуют магнитное (как правило, антиферромагнитное) и сегнетоэлектрическое (или антисегнетоэлектрическое) упорядочения. С начала 21 в. сегнетомагнетики чаще называют мультиферроиками – по названию более общего класса кристаллов, сочетающих в себе несколько типов упорядочения.

Сегнетомагнетики были получены Г. А. Смоленским с сотрудниками в 1961 г. в результате их целенаправленного поиска среди сегнетоэлектрических соединений с высоким содержанием железа. Первые искусственно синтезированные кристаллы сегнетомагнетиков, например, ${\displaystyle {\text{Pb(Fe}}_{2/3}{\text{W}}_{1/3}){\text{O}}_{3}}$, имели структуру перовскита, в октаэдрических позициях которой находились как сегнетоактивные ${\displaystyle {\text{W}}^{3+}}$, так и магнитные ${\displaystyle {\text{Fe}}^{3+}}$ ионы (рис. 1). Несколько позже ими же были обнаружены сегнетомагнитные свойства у другого перовскита – феррита висмута ${\displaystyle {\text{BiFeO}}_{3}}$, синтезированного ранее (Royen. 1957^[1]).

Феррит висмута – сегнетомагнетик, свойствам которого посвящено наибольшее количество работ. Это связано с высокими температурами электрического (температура Кюри ${\displaystyle T_{\text{С}}=1083\,{\text{К}}}$) и магнитного (температура Нееля ${\displaystyle T_{\text{N}}=643\,{\text{К}}}$) упорядочений и большим разнообразием наблюдающихся в нём явлений, включающих в себя магнитоэлектрические эффекты, слабый ферромагнетизм, большие величины пьезоэлектрического эффекта и фотогальванического эффекта, рекордно высокие величины электрической поляризации (в тонких плёнках ${\displaystyle {\text{BiFeO}}_{3}}$ с тетрагональной симметрией она достигает величин 150 мкКл/см² ).

Несмотря на относительно простую кристаллическую структуру феррита висмута, его магнитная структура имеет сложное строение с несколькими уровнями организации (рис. 2). Так, на масштабе кристаллической ячейки феррит висмута имеет антиферромагнитное упорядочение – направления спинов ионов железа в перовскитных ячейках чередуются в шахматном порядке, при этом намагниченности антиферромагнитных подрешёток скошены под небольшим углом (${\displaystyle \sim 1^{\circ }}$) друг к другу, что вызывает слабый ферромагнетизм. На более крупном масштабе (в несколько сотен постоянных решёток) наблюдается спиновая циклоида – при переходе от одного иона железа к другому направление спина поворачивается с периодом 62 нм. Наконец, на масштабе нескольких микрометров наблюдаются домены – области с различным направлением оси циклоиды. Микроскопическим механизмом образования спиновой циклоиды является взаимодействие Дзялошинского-Мория, вызванное сегнетоэлектрическим упорядочением.

В магнитоупорядоченных веществах со спиновыми циклоидами наблюдается также обратный эффект: циклоидальное упорядочение спинов вследствие взаимодействия Дзялошинского – Мория наводит электрическую поляризацию (неоднородный магнитоэлектрический эффект). Такое несобственное сегнетоэлектричество было обнаружено в ${\displaystyle {\text{Cr}}_{2}{\text{BeO}}_{4}}$ – одном из первых описанных в литературе сегнетомагнетиков с магнитоиндуцированным сегнетоэлектричеством (мультиферроик 2-го типа). В начале 21 в. такой же механизм возникновения электрической поляризации был обнаружен в большом количестве неколлинеарных антиферромагнетиков – гексаферритах, орторомбических манганитах и др.

Наряду с магнитоэлектрическими эффектами взаимосвязь магнитной и электрической подсистем в сегнетомагнетиках приводит к появлению магнитодиэлектрического эффекта и аномалий диэлектрической проницаемости при температуре магнитного упорядочения. Важную роль в сегнетомагнетиках играет также упругая подсистема кристалла, что наиболее ярко проявляется в тонких (${\displaystyle \sim 100}$ нм) эпитаксиальных плёнках. Под действием эпитаксиальных напряжений в сегнетомагнетиках смещаются точки сегнетоэлектрического и магнитного фазовых переходов; в плёнках ${\displaystyle {\text{BiFeO}}_{3}}$ изменяется направление и период спиновой циклоиды, происходит искажение профиля циклоиды, вплоть до полного её подавления при относительных деформациях больше 1 %.