Compósitos multiferroicos magnetoelétricos: Perspectiva histórica, status e direções futuras

Materiais magnetoelétricos multiferroicos, que exibem simultaneamente ferroelectricidade e ferromagnetismo, recentemente estimularam um número crescente de atividades de pesquisa devido ao seu interesse científico e promessas tecnológicas significativas em novos dispositivos multifuncionais. Compostos naturais multiferroicos de fase única são raros, e suas respostas magnetoelétricas são relativamente fracas ou ocorrem em temperaturas muito baixas para aplicações práticas. Em contraste, compósitos multiferroicos, que incorporam tanto fases ferroelectricas quanto ferri-/ferromagnéticas, normalmente produzem uma resposta de acoplamento magnetoelétrico gigante acima da temperatura ambiente, o que os torna prontos para aplicações tecnológicas. Esta revisão de atividades majoritariamente recentes começa com um breve resumo da perspectiva histórica dos compósitos magnetoelétricos multiferroicos desde sua aparição em 1972. Em tais compósitos, o efeito magnetoelétrico é gerado como uma propriedade de produto de uma substância magnetoestritiva e uma substância piezoelétrica. Uma polarização elétrica é induzida por um fraco campo magnético alternado oscilando na presença de um campo de polarização de corrente contínua, e/ou uma polarização de magnetização aparece ao aplicar um campo elétrico. Até agora, três tipos de compósitos magnetoelétricos a granel foram investigados experimental e teoricamente, ou seja, compósitos de (a) ferrite e cerâmicas piezoelétricas (por exemplo, titanato de zircônio de chumbo), (b) metais/ligas magnéticas (por exemplo, Terfenol-D e Metglas) e cerâmicas piezoelétricas, e (c) Terfenol-D e cerâmicas piezoelétricas e polímero. A interação de acoplamento elástico entre a fase magnetoestritiva e a fase piezoelétrica leva a uma resposta magnetoelétrica gigante desses compósitos magnetoelétricos. Por exemplo, um laminado de fibra Metglas/titanato de zircônio de chumbo demonstrou ter o maior coeficiente magnetoelétrico, e nas proximidades da ressonância, seu coeficiente de tensão magnetoelétrica de até 102V/cmOe foi alcançado, superando a resposta magnetoelétrica de compostos de fase única por muitos ordens de magnitude. De interesse, motivados pela integração em chip em dispositivos microeletrônicos, compósitos nanostruturados de óxidos ferroelectricos e magnéticos foram recentemente depositados em uma geometria de filme sobre substrato. A interação de acoplamento entre óxidos ferroelectricos e magnéticos em nanoescala também é responsável pelo efeito magnetoelétrico nas nanostruturas, como ocorreu nos compósitos a granel. A disponibilidade de compósitos nanostruturados de alta qualidade facilita a personalização de suas propriedades através de tensão epitaxial, engenharia química em nível atômico e acoplamento interfacial. Nesta revisão, discutimos esses compósitos magnetoelétricos a granel e nanostruturados, tanto em âmbito experimental quanto teórico. Do ponto de vista das aplicações, dispositivos de micro-ondas, sensores, transdutores e dispositivos de leitura/escrita heterogêneos estão entre as implementações técnicas sugeridas dos compósitos magnetoelétricos. A revisão conclui com uma perspectiva sobre as emocionantes possibilidades futuras e os desafios científicos no campo dos compósitos magnetoelétricos multiferroicos.