Synthesis and multiferroic properties of Bi3.4M0.6Ti3O12/CoFe2O4 (M= La3+ and Sm3+) multilayer structures

Abstract

In search of new multiferroic materials Bi4-xMxTi3O12 and CoFe2O4 alternate layers were investigated. For this work, multilayer films of Bi3.4M0.6Ti3O12 with M = La3+, Sm3+ and CoFe2O4 were synthesized by chemical solution method and deposited by spin coating processing on Pt (Pt/Ti/SiO2/Si) substrate and annealed at 750 °C under oxygen atmosphere, because both materials reach at 750 oC their formation phase. Multilayers were investigated by X-ray diffraction and Scanning electron microscopy (SEM). X-ray patterns for pure CoFe2O4, Bi3.4M0.6Ti3O12 and Bi3.4Sm0.6Ti3O12 confirm the formation of the spinel and perovskite structures respectively. On the other hand the presence of the predominant peaks (006), (117) of Bi4Ti3O12 and (311), (511) of CoFe2O4 in all the multilayers revealed the composite-like structure. Multilayer show large values in spontaneous ferroelectric polarization and ferromagnetic memory with well-saturated hysteresis loop, confirming composite behavior of the material. The better polarization values were observed in films that exhibit a preferential orientation in the c-axis as well as in those films with layers of Bi4- xMxTi3O12 thicker. The leakages current were below 10-5 A for most samples, and the dielectric response showed clear relaxation in the frequency range 10-2 – 10-6 Hz. The relaxation seems to reflect on the ferroelectric and ferromagnetic responses. The co-existence of ferroelectric and ferromagnetic in alternate Bi3.4M0.6Ti3O12/CoFe2O4 (M= La and Sm) layers is attributed to the stress in the composite material, due to different permittivity and permeability of the materials involved.

Se investigó capas alternas de Bi4-xMxTi3O12 y CoFe2O4 en la búsqueda de nuevos materiales multiferroico. En este trabajo se prepararon películas delgadas en forma de multicapas del sistema Bi3.4M0.6Ti3O12 con M= La3+, Sm3+ para y CoFe2O4 depositadas sobre sustratos de Platino (Pt/Ti/SiO2/Si) preparadas por un sencillo método de solución química y depositadas con la técnica spin-coating, y tratadas térmicamente a 750oC bajo atmosfera de oxígeno, a esta temperartura ambos materiales llegan a su fase de formación. Las multicapas fueron investigadas por difracción de rayos X y Microscopia Electrónica de Barrido (SEM). Los patrones de difracción para películas puras de CoFe2O4, Bi3.4La0.6Ti3O12 y Bi3.4Sm0.6Ti3O12 confirman la formación de las estructuras espinela y perovskite respectivamente. Por otro lado la presencia de los picos más intensos (006), (117) de Bi4Ti3O12 y (311), (511) CoFe2O4 en todas las multicapas revelan la formación de una estructura compuesta. Las multicapas muestran valores altos en la polarización ferroeléctrica espontánea y memoria ferromagnética con ciclos de histéresis bien saturados, confirmando que es un material compuesto. Los mejores valores en la polarización se observaron en las películas que muestran una orientación preferencial en el eje c, así como en aquellas películas con capas de Bi4- xMxTi3O12 más gruesas. La pérdida de corriente está por debajo de 10-5 A para todas las muestras, y la respuesta dieléctrica mostró una clara relajación en un rango de frecuencia de 10-2 – 10-6 Hz. La relajación aparece reflejada en la respuesta ferroeléctrica y ferromagnética. La co-existencia ferroeléctrica y ferromagnética en capas alternas de Bi4-xMxTi3O12/ CoFe2O4 (M = La, Sm) es atribuido al estrés en el material compuesto, debido a los diferentes valores de permitividad y permeabilidad de los materiales envueltos.