σύνθεση, δομικές, μαγνητικές, διηλεκτρικές και δυναμικές ιδιότητες
(EL)
synthesis, structure, magnetic, dielectric and dynamical properties
(EN)
Aza, Eleni
(EN)
Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Πολυτεχνική Σχολή. Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών
(EL)
Παναγιωτόπουλος, Ιωάννης
(EL)
Aza, Eleni
(EN)
Η ανακάλυψη υλικών στα οποία συνυπάρχει μαγνητική και σιδηροηλεκτρική τάξη έχει ανατροφοδοτήσει το ενδιαφέρον στον τομέα της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης και στην ευρύτερη κοινότητα της επιστήμης των υλικών ενθαρρύνοντας την έρευνα με σκοπό την αξιοποίηση θεμελιωδών φυσικών μηχανισμών στην επινόηση τεχνολογικών εφαρμογών.
Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μελέτη στο πεδίο των ισχυρά συσχετιζόμενων συστημάτων όπου οι συζευγμένες ιδιότητες προκύπτουν σαν αλληλεπίδραση των βαθμών ελευθερίας του ηλεκτρονίου (φορτίο, ιδιοστροφορμή). Η τοπολογία κρυσταλλικού πλέγματος μπορεί να διαμορφώσει αυτή την αλληλεπίδραση επιτρέποντας ανταγωνιστικές μαγνητικές αλληλεπιδράσεις και πιθανή σύζευξης ηλεκτρικής και μαγνητικής τάξης. Για την παραπάνω μελέτη επιλέχθηκαν διαφορετικές πολυμορφικές φάσεις του συστήματος Na-Mn-O λόγω της ενδογενούς γεωμετρικής (μαγνητικής) όχλησης που προκύπτει από την τρίγωνη τοπολογία του κρυσταλλικού πλέγματος των κατιόντων μαγγανίου.
Μεταξύ των υποστοιχειομετρικών σε Νάτριο πολύμορφων της οικογένειας, μονοκρύσταλλοι του α-^0.7ΜηΟ2 αναπτύχθηκαν με σκοπό την μελέτη των ανταγωνιστικών σιδηρομαγνητικών και αντισιδηρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων όπως αυτές προκύπτουν λόγω του μικτού σθένους του μαγγανίου (Mn4+ / Μη3+). Στην ύπαρξη ανταγωνιστικών αλληλεπιδράσεων αποδίδεται η μαγνητική αστάθεια του συστήματος που οδηγεί σε βασική κατάσταση υαλώδους σπιν όπως και οι «ανωμαλίες» που παρατηρούνται στις μετρήσεις διηλεκτρικής σταθεράς.
Οι ίδιες ανταγωνιστικές αλληλεπιδράσεις εξετάζονται ως αιτία της ανισοτροπικής μαγνητικής συμπεριφοράς των κρυστάλλων α-^0.96ΜηΟ2. Πειράματα σκέδασης νετρονίων
αποκαλύπτουν την εγκαθίδρυση σύμμετρης αντισιδηρομαγνητικής τάξης στην θεμελιώδη κατάσταση η οποία εξαφανίζεται πάνω από τους 26 Κ ενώ συνυπάρχουσα στρεβλωμένη αντισιδηρομαγνητική κατάσταση επιμένει μέχρι τους 45 Κ. Ασθενή φαινόμενα στην θερμοκρασιακή εξέλιξη της διηλεκτρικής σταθεράς εμφανίζονται στα σημεία μαγνητικής μετάβασης στην σύμμετρη κατάσταση μακράς εμβέλειας ( LRO) επισημαίνοντας σύζευξη μεταξύ ηλεκτρικής και μαγνητικής τάξης.
Στην περίπτωση του στοιχειομετρικού πολύμορφου β-NaMnO^ η εναλλαγή στην ύπαρξη μικροδομικών περιοχών που ανήκουν και στα 2 πολύμορφα (α- , β-) διαμορφώνει μια θεμελιώδη κατάσταση ελικοειδούς σπιν ενώ και σε αυτή την περίπτωση διηλεκτρικές «ανωμαλίες» συναντώνται στην θερμοκρασία εγκαθίδρυσης της σύμμετρης αντισιδηρομαγνητικής τάξης.
Περαιτέρω κατανόηση των μηχανισμών που υπαγορεύουν άρση της όχλησης και εγκαθίδρυση μαγνητικής τάξης καθώς και ο ρόλος της κρυσταλλικής ανομοιογένειας αποτελεί πεδίο συνεχιζόμενης έρευνας και μπορεί να οδηγήσει στην κατανόηση του τρόπου σύζευξης βαθμών ελευθερίας συζευγμένων ηλεκτρονίων και πως αυτό μπορεί να οδηγήσει σε σύζευξη ηλεκτρικής και μαγνητικής τάξης σε αυτήν την οικογένεια οξειδίων.
(EL)
The discovery of materials with coexisting magnetic and ferroelectric orders, has revived theinterest of condensed matter physics and materials’ science communities maintaining the greatpromise of such fundamental mechanisms in devising applications ranging from portablemagnetoelectric (ME) sensors and memories to radar technologies. The present PhD thesis is a study in the field of strongly correlated systems where coupled properties arise from the interplay of charge and spin degrees of freedom over lattice topologies enabling competing magnetic interactions and therefore emergence of coupling of electric and magnetic order. Non-perovskite, two-dimensional (2D) Na-Mn-O oxides are revisited in scope of this in both polycrystalline and large single crystal forms. Among Na-deficient polymorphs, hexagonal α-Na0.7MnO2 (single crystals) has been investigated for the first time as a playground of competing interactions due to mixed Mnvalence (Mn4+ / Mn3+), fostered by Na vacancies in the structure. The competition of FM (Mn3+-Mn4+) and AFM (Mn3+ -Mn3+) interactions is believed to be the origin of the magnetic instability leading to a glassy ground state leaving also their footprint in the dielectric permittivity measurements. Competing FM and AFΜ interactions are also investigated as the origin of the anisotropic magnetic properties witnessed in a-NaxMnO2 (x= 0.96) single crystals. Neutron single crystal experiments show a well-established AFM long range order which vanishes above 26 K whilea coexistent canted antiferromagnetic state persists up to 45 K. In both alpha powders and aNa0.96MnO2 single crystals, the dielectric permittivity suggests the onset of the commensuratemagnetic long range order (T~ 45 K) which in the case of the powders allows a magnetocapacitance effect. Compositional modulations in β-NaMnO2, which are depicted as an intergrowth of α- and βlike oxygen coordinations, are found to trigger a proper-screw magnetic ground state which evolves into collinear commensurate AFM state. Features in the dielectric permittivity coincide with the onset of the commensurate AFM order giving away also the contribution of the α- structural domains. Further understanding of the mechanisms that dictate the relief of frustrated interactions and establishment of magnetic order together with the role of structural complexity in the form of domains or domain-walls is a direction that warrants further exploration as it will help us to resolve whether other coupled electron degrees of freedom are likely to be generated in this family of oxides.
(EN)
University of Ioannina
