Oxydes de métaux de transition multiferroïques ABO3 :une interaction rare entre la ferroélectricité et le magnétisme

Résumé

Cet article de synthèse résume le développement de différents types de matériaux qui ont suscité un intérêt dans tous les domaines scientifiques, en particulier sur les nouveaux nanomatériaux qui possèdent à la fois des propriétés électriques et magnétiques à l'échelle nanométrique. Les matériaux de ce type possédant à la fois des propriétés magnétiques et électriques ont d'énormes applications et possèdent une activité de recherche intensive. Ces matériaux induisent de nouvelles propriétés qui sont particulièrement importantes dans les dispositifs électroniques et magnétiques et même dans les matériaux où la propriété magnétique va changer par champ électrique ou vice versa. La découverte de telles propriétés ferroïques pour des applications scientifiques est une nécessité d'une heure et étend un nouveau domaine passionnant qui a un potentiel technique et commercial pour la découverte de matériaux avancés. Dans des études récentes, le chemin réel par lequel les propriétés multiferroïques existent a été focalisé et de nouveaux composés d'oxyde métallique ont été découverts. La compréhension de la structure de ces composés grâce à la recherche décrit un large éventail d'applications et les défis de ces matériaux multiferroïques qui doivent être explorés. Dans cette étude, les aspects fondamentaux et les variations structurelles des oxydes de métaux de transition ternaires ont été couverts qui possèdent de nouvelles propriétés dans les dispositifs de stockage tels que les plateaux de disque dur et les têtes de lecture magnétiques.

Introduction

Les propriétés magnétiques des objets à l'échelle nanométrique ont reçu le nom de concept de nanomagnétisme avec un domaine de recherche enclin dans tous les domaines scientifiques. Les propriétés et les applications des nanoparticules magnétiques, des nanofilms, des nanotiges et bien d'autres ont été utilisées plus tôt également en géologie en tant que ferrofluides et ont suffisamment de portée pour être explorées à l'avenir [1]. Ces matériaux avancés ont été utilisés dans d'autres aspects, comme dans les haut-parleurs et dans le domaine médical pour l'administration de médicaments [2] ou encore dans l'hyperthermie magnétique [3]. Les matériaux de stockage à très petite taille ont généralement trouvé une bonne efficacité s'ils sont fabriqués dans de petits dispositifs qui réduisent la dimension des machines. Ces petits dispositifs constitués de nanoparticules magnétiques jouent un rôle important dans les industries et surtout dans les applications biomédicales [4]. Ces matériaux ont été appliqués à des appareils d'imagerie par résonance magnétique (IRM) qui permettent et visualisent l'environnement local des cellules tissulaires des cellules cancéreuses ou tumorales [5]. Ces nanoparticules magnétiques ont des applications biomédicales uniques, en particulier pour traiter les maladies du système nerveux central et doivent être explorées plus avant pour trouver des approches innovantes dans l'administration de médicaments pour traiter les maladies du système nerveux central (SNC) [6].

L'aimantation spontanée peut être créée dans une structure en forme de boucle appelée hystérésis par le champ magnétique appliqué. Cette particularité des matériaux a donné le nom de matériaux ferromagnétiques, et cette propriété des matériaux trouve son origine dans les spins des électrons et leur mouvement orbital autour du noyau. En l'absence de champ magnétique externe, les moments magnétiques sont orientés au hasard, mais lorsqu'un champ est appliqué, ces spins sont verrouillés dans un ordre particulier et un petit groupe de spins pour former des structures de type domaine. Les structures et la boucle d'hystérésis typique de ces matériaux magnétiques sont illustrées à la figure 1. Les métaux de transition comme le nickel, le cobalt, le chrome et le fer ont des moments magnétiques provenant des orientations de spin et ont également une contribution orbitale au champ magnétique [7]. Ces interactions entre les spins alignés dans un ordre particulier à une certaine température inférieure à la température de Curie (T_c ) et au-dessus de cette température les domaines ferromagnétiques dominent l'énergie thermique [8]. La caractéristique tout à fait unique de la propriété ferromagnétique est d'avoir une boucle d'hystérésis, caractérisée par l'existence d'une aimantation à saturation (M_s ) au-dessus duquel il n'y a pas d'augmentation supplémentaire de la propriété magnétique, quelle que soit l'amplitude du champ magnétique appliqué. Autre particularité des matériaux ferromagnétiques, l'aimantation rémanente (M_r ), stocke même en l'absence de champ magnétique appliqué, et cette propriété est liée à la mémoire ou à la capacité de stockage des matériaux. De plus, ces matériaux ferromagnétiques sont spécifiés avec le champ coercitif (H_c ) qui mesure l'amplitude du sens inverse du champ magnétique pour supprimer tout son effet d'aimantation. Ces trois propriétés sont primordiales pour connaître la phase potentielle d'un matériau ferromagnétique. Il existe une compétition entre les énergies d'échange magnétostatique et d'anisotropie, et il existe des domaines d'interaction d'ordre long et court [9].

Boucle d'hystérésis ferromagnétique et effet des alignements de domaines magnétiques sur l'application du champ magnétique

La propriété ferroélectrique [10] caractérisée par l'existence d'une polarisation en présence d'un champ électrique appliqué est analogue à la propriété ferromagnétique. La différence entre le ferroélectrique et le ferromagnétique réside dans la structure des matériaux mais pas avec les atomes, donc le ferroélectrique est une propriété intrinsèque. Cette propriété dépend de l'ensemble de la structure et de la symétrie des composés et de l'ordre, du désordre et du déplacement des ions qui donnent lieu au mécanisme de la ferroélectricité [11,12,13]. La polarisation structurée est liée à la propriété ferroélectrique qui se traduit par la boucle d'hystérésis formée à partir de domaines électriques. Il y a une certaine température en dessous de laquelle le changement de phase de paraélectrique à ferroélectrique appelé température de transition, qui à son tour dépend de la nature des matériaux. Ces caractéristiques de mini-domaine d'hystérésis sont représentées sur la figure 2 et correspondent d'une certaine manière à la boucle d'hystérésis magnétique. En traçant un graphique entre la polarisation électrique et le champ électrique appliqué, une structure en forme de boucle a été formée avec une polarisation de saturation (Ps), une polarisation rémanente (Pr). et champ coercitif (Hc) [14]. Ici, le domaine commence à s'aligner dans la direction du champ positif qui donne lieu à une polarisation rapide et atteint une polarisation maximale appelée polarisation de saturation, et au-delà, il n'y a plus d'augmentation de la valeur de polarisation. De plus, si le champ appliqué est inversé, la polarisation a tendance à diminuer et atteint une valeur particulière où le champ appliqué est nul. La polarisation rémanente (polarisation résiduelle dans le matériau lorsque le champ électrique est totalement supprimé) est la mesure de la rétention ou de la rémanence des matériaux utilisés spécifiquement pour la mémoire et la capacité de stockage. Afin d'atteindre une polarisation nulle, le champ électrique appliqué doit être encore diminué. L'amplitude du champ électrique appliqué où toute la polarisation devient nulle s'appelle le champ coercitif. Ces valeurs sont des caractéristiques d'hystérésis qui dépendent de la structure, de la nature et de la taille des matériaux ferroélectriques [15].

Courbe d'hystérésis (P-E) dans les matériaux ferroélectriques

Multiferroïque :une propriété unique et nouvelle [16]

Le concept de multiferroïque a été introduit par H. Schmidt en 1994 [17], et selon la dernière définition, les matériaux multiferroïques possèdent simultanément deux ou plus de deux phases ferroïques ensemble dans un seul matériau [18]. Ces matériaux sont devenus un sujet de recherche pour étudier la nature chimique et étudier la physique de l'état solide [19]. La recherche en masse dans ce domaine a permis de développer de nombreuses nouvelles idées à utiliser dans les applications des appareils. L'une des idées est d'introduire les bits multiferroïques qui peuvent stocker des informations sous forme d'aimantation et de polarisation. Il n'y a que peu de matériaux qui ont deux ou plus de deux propriétés ferroïques et donc les matériaux multiferroïques sont rares [20]. Cette tendance des matériaux ayant une ou plus de deux propriétés a été montrée sur la figure 3, où elle indique clairement qu'il y a très peu de matériaux qui présentent le comportement multiferroïque [21]. C'est la raison pour laquelle ce domaine de recherche est un défi pour le monde actuel et doit être ciblé [22]. L'existence rare de multiferroïques est liée au mécanisme du comportement ferroélectrique qui exige des orbitales d vides, et d'autre part, le ferromagnétisme a besoin d'orbitales d partiellement remplies [23, 24]. Afin de compenser ce genre de controverse et d'atteindre la nature multiferroïque, la structure des matériaux doit être réglée de manière à ce qu'un atome puisse se déplacer du centre pour former des dipôles électriques et soit lié aux moments magnétiques. Cela conduira à un mécanisme alternatif pour le magnétisme ou la ferroélectricité. Il y a encore certaines choses qui peuvent être explorées à l'échelle nanométrique. La nature multiferroïque des matériaux nanostructurés peut ouvrir de nouveaux horizons dans les applications de fabrication de petits dispositifs efficaces comme les puces informatiques, et bien d'autres. Des recherches récentes se concentrent sur les matériaux nano-multiferroïques pour la fabrication, la conception et les applications. Les structures de paroi de domaine ferroéclectrique et la position des ions magnétiques jouent un rôle important pour obtenir la nouvelle fonctionnalité pour le développement de nouveaux dispositifs. La formation, l'ingénierie et l'application en modifiant les structures peuvent être utilisées pour transporter les informations dans les derniers appareils. Un intérêt continu et un espace croissant ont été accordés aux matériaux multiferroïques qui ont abouti au quatrième ordre ferroïque appelé ferrotoroïdicité [25, 26] et ont également déterminé les parois du domaine de conductivité électrique qui sont différentes des matériaux en vrac liés aux propriétés de mémoire [27]. Une chose assez nouvelle et intéressante a également été observée à l'aide des techniques de dépôt de film, que le champ électrique donne le magnétisme à température ambiante [28]. Bien que l'étude multiferroïque ait suscité un intérêt appréciable de la part de tous les chercheurs du monde entier, il existe encore une mauvaise approche de la commercialisation des matériaux multiferroïques qui doivent être accélérés dans un proche avenir.

Classification générale des matériaux multiferroïques. Adapté d'Eerenstein et al. [21]

Diverses classes de composés multiferroïques sur la base de la structure

Ferrites de bismuth (BiFeO₃ Composés)

Les oxydes ternaires de ferrite de bismuth et les composés dérivés sont des structures pérovskites et sont des composés multiferroïques prometteurs [29]. Cet ABO₃ Le composé de ferrite de bismuth pérovskite a une ferroélectricité provenant de la seule paire d'électrons du métal central A (Bi³⁺ ) ion qui se déforme de la position et de la symétrie du composé perdu qui fournit la propriété ferroélectrique [30]. Le cation sur le site de la position B est Fe³⁺ ion qui est petit et a des électrons d non appariés qui donnent les propriétés magnétiques de BiFeO₃ composé comme le montre la figure 4 [31]. Ici, on peut conclure que la polarisation est causée par Bi³⁺ électrons à paires isolées présents dans 6s² les orbitales et la propriété magnétique proviennent de Fe³⁺ ions. La fabrication de BiFeO₃ nano-composé peut conduire à une nouvelle direction de recherche qui aidera à construire des matériaux multiferroïques intéressants. Il y avait des problèmes de courant de fuite qui réduisaient les paramètres électriques des ferrites de bismuth et qui ont ensuite été améliorés par l'ajout d'ions strontium-zirconium dans le BiFeO₃ -BaTiO₃ matériaux composites. De plus, la structure de phase, la texture de surface et les propriétés électriques ont également été étudiées systématiquement [32]. De nombreuses recherches ont été menées dans la pérovskite ferroélectrique BiFeO₃ à de nombreuses fins d'application, mais a rarement été étudiée pour la conversion d'énergie de minuscules mouvements mécaniques en électricité malgré sa grande polarisation résiduelle théorique. Mais il y avait un rapport qui montrait que BiFeO₃ les nanomatériaux ont un tel potentiel pour un nanogénérateur piézoélectrique sans plomb à grande échelle et ces nanoparticules ont été synthétisées par un procédé sol-gel [33]. Bi₅ Ti₃ FeO₁₅ (BTF) des nanofibres multiferroïques sans plomb ont été fabriquées par électrofilage et présentent un coefficient micro-piézoélectrique efficace avec une micro-ferroélectricité bénigne [34]. De plus, le comportement de couplage entre macro-ferroélectrique et magnétoélectrique a été trouvé par non-frittage et pressage pour la première fois et est plus petit que Bi₅ Ti₃ FeO₁₅ céramique. Les moments magnétiques de BiFeO₃ étaient équilibrés entre eux par deux ions Fe tournant dans la direction opposée à l'intérieur de la cellule, et la bande interdite a été trouvée autour de 20,5 eV [35]. La densité d'états a été analysée qui indique que la bande de valence se compose d'états Fe-d et O-p, tandis que la bande de conduction est composée d'états Fe-d et Bi-p. La fonction diélectrique, l'absorption, l'indice de réfraction, le coefficient d'extinction, la réflectivité et la perte d'énergie des électrons ont également été rapportés pour BiFeO₃ .

un La structure cristalline pérovskite de BiFeO₃ adapté de Seidel et al. [28]. b Structure de pérovskite déformée adaptée d'Ederer et Spaldin [31]

Magnétite d'yttrium (YMnO₃ ) Composés

Il semble que YMnO₃ composé a la même pérovskite ABO₃ structure de type, mais il a une structure cristalline et des arrangements électroniques différents. Contrairement aux pérovskites classiques, les manganites hexagonales ont leur Mn³⁺ ions de coordination 5 fois, situés au centre d'un MnO₅ bi-prisme trigonal. Les ions R, en revanche, ont une coordination 7 fois supérieure à la coordination cubique des pérovskites. La couche de Y³⁺ ions différencie le MnO₅ bidimensionnel biprisme comme le montre la figure 5, qui représente le YMnO₃ cellule unitaire montrant des structures ioniques. Un nouveau concept de ferroélectricité antiferromagnétique a été trouvé dans YMnO₃ , et la structure géométrique conduit les propriétés ferroélectriques qui se couplent avec la propriété magnétique de YMnO₃ composé [36]. Le basculement de MnO₅ le biprisme trigonal entraîne la perte de la symétrie d'inversion dans la structure qui fait ressortir les propriétés ferroélectriques de YMnO₃ composés de type [37]. Le couplage entre la ferroélectricité et l'ordre magnétique est assez différent, et c'est la principale raison pour laquelle le couplage magnétoélectrique ne pourrait pas être possible dans ce type de matériaux. Mais les mouvements ioniques dans le MnO₅ à couches basculantes les polyèdres conduisent à l'effet de polarisation nette [38, 39] comme le montre la figure 6. Il a également été rapporté que YMnO hexagonal₃ les nanofibres préparées par la méthode sol-gel et les fibres filées préparées ont été séchées à 125 °C avec un diamètre uniforme [40]. Lors d'une augmentation de la température de l'échantillon préparé, il y a eu un changement adéquat de la morphologie et de la plage de diamètres avec des constituants chimiques homogènes sur toute sa longueur.

Structure cristalline de YMnO₃ avec des couches de MnO₅ polyèdres et atome Y entre les couches. Adapté de Wadati et al. [38]

Vue schématique en trois dimensions de YMnO₃ dans les états polarisés. Adapté de Spaldin et al. [39]

Terre Rare (RMO₃ , M =Fe, Cr, Mn ) Composés multiferroïques

Les dernières recherches ont révélé que les oxydes ternaires de terres rares pouvant contenir des éléments de fer, de manganèse et de chrome sur le site B présentent des propriétés multiferroïques dans lesquelles un ferromagnétique faible s'accompagne d'un comportement ferroélectrique à température ambiante [41]. En cas de RFeO₃ composés, la structure de ce type de composés est constituée de cellules unitaires orthorhombiques [42] avec une structure de pérovskite déformée. Cette distorsion est due uniquement à l'ion de terre rare R³⁺ positions et la présence de Fe³⁺ ions dans un environnement octaédrique. De telles structures ont FeO₆ octaèdres en trois dimensions, l'un des O^2- les ions forment un sommet commun entre les deux octaèdres, et les deux atomes de fer fournissent la liaison de superéchange via O^2- ions. Dans ce concept, les atomes de Fe sont légèrement inclinés, ce qui entraîne de faibles interactions ferromagnétiques [43]. Depuis la RFeO₃ sont inclus dans la famille des ferrites centrosymétriques, il existe toujours la propriété ferroélectrique à température ambiante. Ce comportement inhabituel peut être expliqué par la littérature qui rapporte un SmFeO₃ composé où les spins non équivalents sont responsables de la propriété ferroélectrique induite et ont reçu le nom de ferroélectricité induite par ordre antiferromagnétique [44] qui a été montré sur la figure 7.

Structure cristalline et spectres magnétiques du SmFeO₃ orthorhombique . Adapté de Scoot et al. [44]

La deuxième classe d'oxydes multiferroïques de terres rares est le RCrO₃ à base de chrome composés. Au lieu de FeO₆ structure, basculement antiphase de CrO₆ octaèdres comme le montre la figure 8 était présent dans orthorhombique (RCrO₃ , R =Y, Gd, Tb) composés multiferroïques. La polarisation de la nature ferroïque se couple avec l'ordre magnétique des sous-réseaux d'ions Cr, et l'interaction bien connue Dzyaloshinskii-Moriya (DM) donne naissance aux faibles propriétés ferromagnétiques du Cr³⁺ ions [45]. GdCrO₃ composés, le moment magnétique des ions Cr, sont antiparallèles à ses cations les plus proches et sont représentés par une configuration de type G. La classe de ferroélectricité du RCrO₃ composés n'est toujours pas expliqué correctement, alors qu'il a été supposé que la distorsion de décentrage a été proposée pour l'origine du comportement ferroélectrique. Ce type de mécanisme a été signalé dans des couches minces, nano et minces de RCrO₃ composés [46,47,48]. En présence d'un champ magnétique appliqué, la force de polarisation peut être modifiée en cas de GdCrO₃ composés. YCrO₃ est orthorhombique mais est toujours ferroélectrique car les atomes de Cr sont déplacés de la position dans une direction particulière qui entraîne la polarisation. Cela montre le nouveau concept qui peut être visualisé par de nombreuses propriétés inhabituelles des matériaux multifonctionnels.

Structure cristalline de pérovskite orthorhombique déformée de RCrO₃ . Adapté de Fender et al. [45]

Cubique GdFeO₃ particule par une simple voie de synthèse hydrothermale et ses propriétés photoluminescentes et magnétiques ont été étudiées [49]. Grâce à l'étude de la photoluminescence et des propriétés magnétiques, le cubique orthorhombique GdFeO₃ les particules présentaient une très bonne luminescence dopée, qui émet une lumière de couleur différente lorsqu'elle est dopée avec différents éléments de terres rares. Le GdFeO₃ les particules contiennent des propriétés paramagnétiques. Ce pourrait être un excellent matériau de luminescence et magnétique. Couplage magnétoélectrique élevé en utilisant un monocristal de DyFeO₃ et GdFeO₃ a été rapporté auparavant, mais la nature multiferroïque ne se produit qu'à très basse température [50]. Synthèse de poudre à l'état solide de GdFeO₃ et GdCrO₃ implique le broyage mécanique intensif des oxydes requis (Gd₂ O₃ , Fe₂ O_3, et Cr₂ O₃ ) à une température de calcination suffisamment élevée ∼ 1800 °C. Une méthode sonochimique simple pour la synthèse de nanoparticules d'une série d'orthoferrites de terres rares a été rapportée. Ce procédé sonochimique permet la synthèse de nanoparticules d'orthoferrites de terres rares à une température de calcination sensiblement inférieure en utilisant des précurseurs simples, le pentacarbonyle de fer et les carbonates de terres rares. Il est particulièrement remarquable que la cogénération de la phase grenat n'a pas été observée, comme cela est habituel avec les méthodes classiques. La réduction drastique de la température de calcination pourrait être due à la génération par ultrasons d'oxyde de fer amorphe à partir de Fe(CO)₅ . GdFeO₃ nanométrique , ErFeO₃ , TbFeO₃ , et EuFeO₃ ont été préparés par cette méthode, et leurs propriétés magnétiques ont également été étudiées en détail [51]. Nanoparticules d'orthoferrite hautement cristallines (type La_1−x Gd_x FeO₃ , où x = 0 à 1) ont été préparés par la méthode d'auto-combustion. Notre intérêt particulier porte sur la caractérisation des propriétés structurales et magnétiques de composés donnés avec un fort accent sur le rôle du Gd³⁺ ions dans la modulation de la structure et la réponse magnétique [52]. Pérovskites de composition MFeO₃ sont une classe de matériaux ayant des applications potentielles tels que les catalyseurs [53], les capteurs, [54] les semi-conducteurs et [55] les matériaux magnétiques et magnéto-optiques [56]. La synthèse sélective de phase de LnFeO₃ (Ln =terre rare) est difficile car il y a des phases coexistantes indésirables [57, 58]. Gd₂ piloté par la lumière visible Ti₂ O₇ /GdCrO₃ composite pour le dégagement d'hydrogène a été rapporté, et une série de Gd₂ Ti₂ O₇ /GdCrO₃ les composites sont préparés par combustion à l'état solide. L'activité photocatalytique des composites est examinée en vue de la production d'hydrogène sans utiliser de co-catalyseur sous éclairage en lumière visible. Le taux de formation d'hydrogène est mesuré par le dispositif de mesure d'activité photocatalytique et par chromatographie en phase gazeuse (GC). L'efficacité la plus élevée est observée sur le composite GTC (Cr:Gd:Ti = 1:1:1). Sur la base des mesures du photocourant et de la PL, un mécanisme d'augmentation de l'activité photocatalytique a été discuté [59]. Propriétés magnétiques inhabituelles de l'orthoferrite nanocristalline, GdFeO₃ , synthétisé par voie conventionnelle de réaction à l'état solide (SSR) basée sur le mélange stoechiométrique de Fe₂ O₃ et Gd₂ O₃ ont été trouvés dans le rapport [60]. Les échantillons polycristallins de GdFe_1-x Ni_x O₃ (x =0,0, 0,1) sont préparés par voie réactionnelle à l'état solide. Il a également été remarqué que Ni³⁺ la substitution d'ions entraîne une contraction du réseau et une amélioration d'une constante diélectrique, d'une perte tangente et d'une conductivité alternative [61].

Les seules études magnétiques disponibles se sont concentrées sur la spectrométrie Mossbauer pour sonder les transitions SR induites par le champ dans le MPO [62, 63]. Parmi ces composés, le DFO est la seule orthoferrite de terres rares qui montre la transition de Morin à 35 K suivie de trois transitions anormales à des températures de 77 K, 130 K et 270 K provenant probablement de l'effet de réorientation de spin (SR) induit par le champ. de l'interaction magnétique concurrente entre Dy³⁺ et Fe³⁺ ions. La synthèse assistée par micro-ondes de chromites de terres rares et les propriétés physiques ont été signalées. Les mesures de magnétisation ont montré que la température de Neel pour le Cr³⁺ antiferromagnétique -Cr³⁺ la commande dépend fortement du RE³⁺ le rayon ionique et une riche variété d'interactions de spin magnétique différentes existent. Sur les pastilles frittées, les différences électroniques au niveau des joints de grains et du matériau en vrac intérieur, ce qui donne les deux relaxations diélectriques contrôlées par spectroscopie diélectrique. Les données de diffraction des rayons X, de spectroscopie Raman et de permittivité diélectrique dépendante de la température n'indiquent pas une non-centrosymétrie potentielle dans le cristal ou une ferroélectricité concomitante. Des efforts systématiques ont été déployés pour préparer une série complète de (RE)CrO₃ composés, qui peuvent ressembler dans la structure de YCrO₃ composé. Une étude détaillée des propriétés magnétiques et diélectriques et de leurs corrélations avec un accent particulier sur le comportement magnétoélectrique ou multiferroïque tel qu'observé a été rapportée [64]. Les propriétés de transport de charge dans (RE)CrO₃ Il a été affirmé que les matériaux impliquaient une semi-conductivité de type p avec une sensibilité à l'humidité, au méthanol, à l'éthanol et à plusieurs gaz, ce qui est utile pour les applications potentielles de capteurs. [65, 66]. De plus, LaCrO₃ et ses variantes dopées sont des candidats pour une application en tant que matériaux interconnectés dans les piles à combustible à oxyde solide [67, 68] et en tant que catalyseurs pour l'oxydation des hydrocarbures [69]. Orthoferrites de terres rares de type LnFeO₃ (Ln Gd, Dy, Sm) cristallisent la structure de pérovskite déformée orthorhombiquement. La présence de polarisation électrique dans l'état faiblement ferromagnétique de DyFeO₃ a été rapporté dans un échantillon polycristallin, [70] dans lequel la ferroélectricité disparaît en dessous de la température de réorientation du spin. L'importance du champ local induit sur les ions Dy par le faible moment ferromagnétique du sous-réseau Fe dans le G₄ la structure est révélée par les spectres à champ nul [71] Fe Mossbauer de DyCrO₃ . Susceptibilité magnétique des orthochromites de terres rares lourdes à température plus élevée [72] et propriétés magnétocaloriques du DyCrO₃ substitué par des terres rares ont également été rapportés [73]. L'étude détaillée de l'interaction magnétique a été trouvée dans DyCrO₃ poudres en vrac [74] en utilisant la méthode de synthèse hydrothermale. Etudes détaillées sur le CeCrO₃ nanocristallin se sont avérés présenter des multifonctionnalités telles que l'antiferromagnétisme, le comportement du relaxeur et une bande interdite optique dans la région visible. Cette voie de synthèse nouvellement développée ouvre les immenses possibilités de préparation du Ce³⁺ jusqu'alors inconnu. -à base d'oxydes mixtes, analogues à d'autres terres rares (RE³⁺ ) homologues [75]. L'état métastable induit par le champ avec ordre polaire électrique apparaît aux températures d'ordre magnétique de Cr³⁺ dans les orthochromites de terres rares faiblement ferromagnétiques (RCrO₃ , où R est un ion magnétique de terre rare), présentant une polarisation électrique relativement importante ~ 0,2–0,8 μC/cm² , commençant à des températures assez élevées (~ 120–250 K) correspondant aux températures de Neel du sous-système Cr [76]. Propriétés magnétiques statiques et dynamiques et effet de la chimie de surface sur la morphologie et la cristallinité du DyCrO₃ des nanoplaquettes ont été signalées [77].

Il a également été rapporté que les orthoferrites nanométriques peuvent être utilisées comme photocatalyseurs dans la décomposition de l'eau ou la dégradation des colorants sous irradiation lumineuse. Ce domaine de recherche s'est considérablement élargi en raison de l'avènement d'une nouvelle classe d'oxydes présentant des propriétés multiferroïques et magnétoélectriques intéressantes résultant de la ferroélectricité induite magnétiquement. Fait intéressant, ces matériaux sont de simples oxydes de métaux de transition, la plupart d'entre eux possédant la structure pérovskite. Nouvelles caractéristiques des ferrites et chromites multiferroïques et magnétoélectriques présentant une ferroélectricité entraînée magnétiquement. On a vu que presque tous les photocatalyseurs semi-conducteurs à oxyde sont stables mais actifs sous irradiation de lumière UV. Le développement d'une méthode générale douce pour préparer des chromites de terres rares de taille et de forme de cristal uniformes est important pour d'autres applications liées aux monocristaux. Les monocristaux de taille micrométrique préservent davantage les propriétés en vrac par rapport à leurs homologues polycristallins correspondants acquis avec des précurseurs traités à haute température. Comprendre les structures cristallines et les structures de bandes des oxydes métalliques complexes est sans aucun doute un aspect clé pour explorer des fonctionnalités nouvelles ou améliorées. Pour les réactions à basse température, en particulier les réactions topochimiques, il est tout aussi important de comprendre les facteurs qui dirigent les structures finales au cours d'une réaction, telles que la phase intermédiaire et la voie de migration des ions, en utilisant à la fois des considérations cinétiques et thermodynamiques. De plus, une telle connaissance, comme le démontre ici le travail sur les couches minces, aidera certainement à développer de nouveaux conducteurs ioniques vers des applications à basse température. Les parois macroporeuses sont composées de nanoparticules d'orthoferrite de terres rares, et ces matériaux hiérarchiquement poreux présentent des activités catalytiques élevées pour la réaction CO+NO, et le NO peut être entièrement converti en N₂ à des températures aussi basses que 350 °C, indiquant leur potentiel dans la conversion catalytique des gaz d'échappement automobiles et d'autres domaines liés à la catalyse. Cette stratégie de synthèse est une méthode facile pour la préparation de matériaux poreux hiérarchiques et peut nous donner une ligne directrice pour la synthèse de matériaux fonctionnels avec d'autres applications catalytiques [78]. Avec le développement de l'industrie automobile, les gaz d'échappement des automobiles sont devenus l'une des principales sources de pollution de l'air. Le contrôle de la pollution des gaz d'échappement des automobiles est particulièrement important pour réduire la pollution de l'air. TbFeO₃ compounds which possess space group Pbnm may have antiferromagnetic interactions by the presence of Fe spin ions in one direction and the ferromagnetic in other direction with the (TN) Neel temperature of 650 K [79, 80]. The work that has been found for synthesis characterization and the properties of TbFeO₃ compound needs to be explored much more as compared to other rare earth oxide ferrites [81,82,83]. The choice to select the atom at A site has become an important concern and may be related with leakage and the loss of multiferroic nature. The structures and magnetic phase transitions in the Mn-doped orthoferrite TbFeO₃ studied by neutron powder diffraction have been reported [84].

Ternary Metal Oxide Nano-Material Applications

The application of multiferroic materials is expected from the data values of polarization and magnetization with the existence of magnetoelectric coupling. This could be the main reason that these interesting materials have to be considered in today’s research of solid state physics and chemistry and may utilize in electronic memory and optical transducer devices [85,86,87]. These materials not only possess the memory capacity but may also have sensing properties with magnetic and electronic nature. Multiferroic materials need to be explored further for novel devices by reducing thermal noise for the use of capacitive reading and can replace the magnetoresistive materials [88]. These magnetic-related properties are more sensitive than conventional resistive measurements that allow the magnetic bit density and posses four state memory property [89] which was demonstrated by the encoded information with the help of polarization and magnetization that too measured by resistance measurements. Many nanostructured and nanoscale coating materials have been suggested as possible friction modifying agents, such as carbides, nitrides, metals, and various ceramics. In conclusion, nanotechnology helps to create vehicles possessing properties to endure the harsh conditions of space. Both magnetic and electric properties have the advantage to store data that could be written electrically and read magnetically. This advantages of multiferroic avoid the generation of large load fields to write and read problems [90]. Fe-RAMS devices have been designated using the concept of ferroelectric writing and ferromagnetic reading, and the retained non-volatile memory has been increased thousand times and even more by the use of the same materials at nano-regime. Thus, nanomaterials having such multiferroic properties have tremendous applications in all devices such as memory, sensory, and optical. The size-dependent unconventional multiferroic compounds in nanodots having emerging magnetic properties along with ferroelectric properties were reported. The nanometric size with nonstoichiometric induces the ferromagnetism with host ferroelectric phase and is susceptible to surface morphology that enables to control the properties at the nanoscale [91]. The magnetoelectric coefficients increase on reducing the particle size and could be related with high strain and suppression of spin spiral structure. The electric and magnetic properties of Bi_0.90 Tb_0.10 FeO₃ nanoparticles depend on the particle sizes and were revealed high as the particle size decreases [92]. In case of Bi₂ Fe₄ O₉ polycrystalline, the magnetic and ferroelectric properties were investigated with different grain size [93]. Grain size effects the decrease of the ferromagnetic part, but the antiferromagnetic component part dominates as the size increases and shifts the Neel temperature to a higher value. Ferroelectric properties lead to non-volatile data storage devices and high demand in ultrafast electronic instruments which are portable and have high density to storage with less power consumption. Therefore, it is essential to fabricate and to develop such multiferroic nanomaterials which have high sensitivity and efficiency and have a bulk of applications in all segments of machines.

Conclusion

Multiferroic ABO₃ type compounds have been focused in the present review based on their structure, composition, and contribution to ferroelectric and ferromagnetic properties. The various factors that improve or decrease the multiferroic properties were taken into consideration. The significant efforts for the synthesis and development of ABO₃ -based perovskite multiferroic compounds were also mentioned. We attempted to give the outline of specific ternary metal oxide multiferroic compounds that may include bismuth ferrites, yttrium magnates, and rare earth oxides. These ABO₃ multiferroic compounds have a lot of applications such as in microelectronic devices, sensors, and storage devices. It is not impossible but rather it is hard to get the breakthroughs of multiferroic compounds in the field of commercialization, and this kind of expectation is expected with the help of research that these productive insights will come soon. It could take further time to develop new materials to achieve the applications in other areas such as magnetoelectric sensors and magnetometers or antennas. There is always a room for improvement of these multiferroic materials and has a lot of market potential in magnetic anomaly detection, navigation, and biomagnetic sensing. If these multiferroic materials are successfully prepared, developed and then commercialized, it will be a breakthrough or huge impact on everyday life and people may choose to stay in academia, join industry, or even start up new businesses.