Study of room-temperature multiferroic mixed stuffed tridymite-like barium ferrites in thin film and bulk forms

Questa tesi di dottorato indaga sulle proprietà strutturali, elettriche e magnetiche della γ-BaFe2O4 (BaFeO), un materiale multiferroico a temperatura ambiente privo di bismuto e piombo. I risultati mostrano che γ-BaFe2O4 cristallizza nella cella a reticolo ortorombico non centrosimmetrico Cmc21, portando alla formazione di una polarizzazione netta. Le proprietà ferroelettriche sono caratterizzate da un netto ciclo di isteresi con un campo coercitivo di 12 kV/cm e una polarizzazione residua di 0,18 μC/cm2. Le misure di diffrazione di polvere di neutroni (NPD) rivelano un ordine antiferromagnetico di tipo G senza alcun momento magnetico residuo. La temperatura di transizione antiferromagnetica si attesta a 890,5(3) K. Misure di magnetizzazione del bulk eseguite mediante magnetometria vibrante del campione SQuID (VSM) hanno mostrato una transizione paramagnetica a 890 K, in accordo con i dati NPD. La seconda parte della tesi si concentra sulla deposizione di film sottili cristallini di γ-BaFe2O4 utilizzando la tecnica denominata pulsed electron deposition(PED). La dinamica della deposizione di BaFeO è governata da due meccanismi principali: un processo di ablazione congruente, che si verifica energeticamente ben al di sopra dell'equilibrio termodinamico, e un processo di evaporazione a bassa energia incongruente. Questo binomio, descrivibile da un modello di funzione a due coseni, ha un impatto significativo sulla purezza di fase di BaFeO, come confermato da caratterizzazioni strutturali e composizionali. Infatti, nella regione centrale e più spessa del substrato non viene rilevata la presenza di una fase secondaria Ba2Fe2O5. Ciò suggerisce che il contributo evaporativo è il fattore primario responsabile della composizione fuori equilibrio. È stata anche valutata l'influenza del tipo di substrato sulle proprietà strutturali dei film di BaFeO. In particolare, un sistema eteroepitassiale (h00) è stato ottenuto depositando BaFeO su un substrato monocristallino MgO-(111). Questo risultato suggerisce che la PED non è solo adatta alla produzione di film policristallini di γ-BaFe2O4 di alta qualità, ma è indice anche della possibilità di ottenere una crescita epitassiale di strati monocristallini. Questo risultato senza precedenti apre la strada all'utilizzo di tali film sottili per applicazioni multiferroiche, dove la purezza di fase, l'orientamento strutturale e l’assenza di difetti migliorano notevolmente le proprietà del dispositivo. Come ultima parte dello studio, è stata condotta un'indagine preliminare su ferriti di bario parzialmente sostituite. Nel complesso, sono stati ottenuti sistemi di tridimite “stuffed” misti sostituendo Fe3+ con Ga3+ e Al3+ sui siti B della struttura BaFeO. In particolare, sembra che una certa quantità sia di gallio che di alluminio possa essere incorporata con successo nella fase ortorombica, come confermato dalla diminuzione dei suoi parametri di reticolo b e c; tuttavia, si osserva un aumento inaspettato del parametro a per entrambe le soluzioni solide. Tali risultati necessitano di uno studio più approfondito per determinare con precisione la posizione e la deformazione dei tetraedri MO4 della struttura. A tal proposito, un'analisi combinata basata sulla tecnica di diffrazione da cristallo singolo e NPD potrebbe essere una scelta ottimale. In generale, questo studio ha stabilito che γ-BaFe2O4 è un nuovo materiale multiferroico a temperatura ambiente con potenziali applicazioni in vari campi, tra cui quello del fotovoltaico e la spintronica.