Structuur en magnetisme van metastabiele y-Fe nanodeeltjes in SrTiO3

Ijzer (Fe), een van de meest aanwezige elementen op aarde, kan verschillende structuren aannemen die contrasterende magnetische eigenschappen bezitten afhankelijk van de omgevingstemperatuur en druk. De meest bekende structuur is a-Fe dat een kubisch ruimtelijke gecentreerde structuur (bcc) heeft en ferromagnetisch is. Een andere ijzer-allotroop, y-Fe, een structuur die in bulk slechts gevormd wordt bij hoge temperaturen, heeft een kubisch vlakgecentreerde structuur (fcc). Echter, deze vorm van ijzer kan ook gestabiliseerd worden in nanostructuren (o.a. dunne films en nanodeeltjes) op kamertemperatuur. In deze structuren, waar \'e\'en of meerdere dimensies zich op de nanometerschaal bevinden, kunnen zowel de structurele als magnetische eigenschappen verschillen tegenover die van bulk y-Fe. Ondanks dat y-Fe in bulk antiferromagnetisch is, werden reeds andere magnetische eigenschappen gerapporteerd voor y-Fe dunne films. Zo kan een ferromagnetische dunne y-Fe film gelinkt worden aan een structuur met een vlakgecentreerde tetragonale (fct) vervorming.
In deze thesis wordt de koppeling tussen structuur en magnetisme in y-Fe bestudeerd wanneer deze structuur omgeven is door een matrix in drie dimensies, zoals ingebedde nanodeeltjes. We hebben, met succes, y-Fe nanodeeltjes gestabilizeerd in Sr(Ti,Fe)O3, een oxide perovskietstructuur matrix. Een gedetailleerde structurele en magnetische karakterisering leert ons dat ingebedde y-Fe nanodeeltjes structureel ook een vlakgecentreerde tetragonale vervorming vertonen, naar analogie met ferromagnetische y-Fe dunne films. Dit suggereert dat de vlakgecentreerde tetragonale structuur een algemene eigenschap kan zijn van laagdimensionaal y-Fe. Bovendien zijn deze ingebedde y-Fe nanodeeltjes superparamagnetisch (d.w.z. ferromagnetisch beneden hun blokkeertemperatuur). Gebaseerd op deze resultaten stellen we een veralgemeend concept voor waarbij y-Fe in dunne films of nanodeeltjes zich in een vervormingsge\"induceerde ferromagnetische grondtoestand bevinden.
Dit overkoepelend concept, waarbij de structuur en het magnetisme in y-Fe gekoppeld worden, is gebaseerd op een 2y-toestandsmodel dat voorgesteld werd door Weiss in het begin van de jaren '60. In dit model worden verschillende elektronische structuren geassocieerd met verschillende roostervolumes en verschillende magnetische ordeningstoestanden. y-Fe bevindt zich in een ferromagnetische toestand (Weiss' y2-toestand) met een groot volume wanneer het vervormt is. In de gerelaxeerde toestand, dus in de antiferromagnetische toestand geassocieerd met een klein volume, bevindt y-Fe zich in de y1-toestand. We tonen bovendien aan dat beide y-toestanden naast elkaar kunnen bestaan bij een eindige temperatuur door de thermische excitatie tussen de ferromagnetische y2 en antiferromagnetische y1 (dat paramagnetisch is boven zijn Néel temperatuur) toestanden. Dit veroorzaakt een niet-Curie faseovergang in y-Fe. In deze thesis veralgemenen we dit 2y-toestandsmodel, waarbij de rol van de structurele tetragonale vervorming toegevoegd wordt om te bepalen in welke magnetische grondtoestand y-Fe zich bevindt. Zo bestaat er een overgang van een antiferromagnetische naar een ferromagnetische grondtoestand wanneer we starten met gerelaxeerd kubisch vlakgecentreerd y-Fe en naar een toenemende structurele vlakgecentreerde tetragonale vervorming evolueren. Onze resultaten vormen een waardevolle experimentele aanzet voor het theoretische herbekijken van de koppeling tussen structuur en magnetische in y-Fe, en in y-Fe nanodeeltjes in het bijzonder.
\\ Bovenop de fundamentele interesse opent deze wisselwerking tussen kristalstructuur, elektronische structuur en magnetisme in y-Fe interessante vooruitzichten om y-Fe te gebruiken als een functioneel materiaal, bijvoorbeeld als een ferromagnetische component in een artificiëel multiferro\"isch systeem. Bovendien toont de mogelijkheid dat y-Fe nanodeeltjes ingebed kunnen worden in een oxide perovskietstructuur structuur (bijvoorbeeld Sr(Ti,Fe)O3) aan dat y-Fe nanostructuren gecombineerd kunnen worden met oxide perovskiet ferroelectrische materialen. In deze artificiële multiferroïsche systemen zou de vervorming geïnduceerd op y-Fe, door een elektrisch veld aan te leggen op het ferroeletrische subsysteem, kunnen zorgen voor een reversibele verandering in de magnetische grondtoestand.