Synthesis and characterization of new multiferroic materials

I materiali multiferroici, cioਠsistemi in cui coesistono almeno due fra gli ordinamenti ferromagnetico, ferroelettrico e ferroelastico, ottengono oggi larga attenzione a causa sia delle promettenti possibilità  offerte nel campo applicativo, sia delle sfide proposte per quanto riguarda lo studio della fisica dello stato solido, con riferimento in particolare alle condizioni di coesistenza e dei possibili meccanismi di accoppiamento degli ordini ferroici. Il presente lavoro tratta la sintesi e caratterizzazione di nuovi materiali multiferroici, ponendo particolare attenzione al rapporto struttura-proprietà , grazie all'uso sinergico di diverse tecniche di diffrazione e di numerose tecniche per la determinazione delle caratteristiche fisiche. La ricerca di nuovi materiali multiferroici ha seguito due linee pricipali: la prima riguarda l'inserimento di ioni magnetici in tipiche strutture ferroelettriche mentre la seconda implica l'utilizzo di ioni stereochimicamente per indurre deformazioni in strutture magnetiche. La prima linea di ricerca ha portato a fluoruri ed ossidi appartenenti alla classe strutturale dei bronzi di tungsteno tetragonali. Fra questi, i composti KxFe5F15 sono stati studiati in tutto il range di stabilità  della fase (2<x<3) e ne viene riportata un'accurata determinazione delle proprietà  multiferroiche. Le sintesi sono state condotte tramite reazione a stato solido, cristallizzazione da fuso e in condizioni idrotermali. Le informazioni raccolte hanno permesso la determinazione del diagramma di fase, che evidenzia come il sistema sia un multiferroico completo al di sotto della temperatura di ordinamento magnetico (T=150-120 K). Questo fatto, insieme all'evidenza di accoppiamenti incrociati fa gli ordini ferroici, rende la serie KxFe5F15 particolarmente interessante per lo studio del multiferroismo. Fra gli ossidi l'attenzione ਠstata rivolta a Ba2NdFeNb4O15, isostrutturale con KxFe5F15, ma che presenta gli ioni magnetici (Fe3+) diluiti nella struttura, con una inevitabile influenza sulle proprietà  del sistema. Misure preliminari hanno mostrato la presenza di interessanti effetti che suggeriscono la coesistenza e accoppiamento di ferroelettricità  e ferromagnetismo, sebbene la presenza di impurezze di ferrite di bario, che complica la fase di caratterizzazione, non possa essere eliminata nelle sintesi a stato solido. Tecniche di sintesi differenti (come ad esempio la cristallizzazione in presenza di sale fuso) sono state testate al fine di ottenere materiali a fase singola, dando interessanti suggerimenti per il proseguimento della ricerca sull'argomento. La seconda linea ha portato a BiMn7O12, una manganite con struttura †œperovskite quadrupla†� ottenuta tramite sintesi in condizioni di alta pressione e alta temperatura. La presenza del doppietto solitario sulla shell 6s del Bi3+, genera una coordinazione asimmetrica attorno allo ione bismuto, causando la cristallizzazione nel gruppo spaziale noncentrosimmetrico Im. La mancanza di centro di inversione permette l'instaurarsi di un momento di dipolo, osservato sulla base di dati strutturali, che rende verosimilmente il sistema ferroelettrico. La caratterizzazione magnetica rivela l'onset di una magnetizzazione nonnulla a T=55K, dovuta alla presenza di interazione Dzyaloshinsky-Moriya, mentre a 25 K ਠosservata una transizione di natura puramente antiferromagnetica. L'evidenza di accoppiamento magnetoelettrico ਠdata dalla presenza, in corrispondenza delle temperature di ordinamento magnetico, sia di anomalie nella permittività  elettrica sia di variazioni nell'andamento dei parametri reticolari.