Universität zu Köln

Jodlauk, Sven (2009). Neue Magnetoelektrika und magnetoelektrische Multiferroika. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit liegt in der Suche nach neuen multiferroischen Materialien mit starker magnetoelektrischer Kopplung. Zunächst wird die Etablierung und Optimierung der für die dielektrischen Untersuchungen notwendigen Tieftemperaturmesstechnik vorgestellt. In der ersten untersuchten Substanzklasse, der Gruppe der Wolframate MWO4, bzw. MIMII(WO4)2 wird die Verbindung MnWO4 als neues Multiferroikum identifiziert, dessen magnetoelektrischer Kopplungsmechanismus auf einer spiralartigen Spinanordnung beruht. Für die Verbindung NaFe(WO4)2 wird ebenfalls multiferroisches Verhalten beobachtet. Da diese Substanz eine kollineare Spinanordnung aufweist, deutet dieses Ergebnis auf das Vorliegen eines andersartigen, möglicherweise bisher unbekannten magnetoelektrischen Kopplungsmechanismus hin. In der zweiten untersuchten Substanzklasse, der Gruppe der Pyroxene AMSi2O6, wird zunächst das Mineral Ägirin mit der durch Mikrosondenanalyse bestimmten Zusammensetzung Na1.04Fe0.83Ca0.04Mn0.02Al0.01Ti0.08Si2O6 als neues Multiferroikum identifiziert: In dieser Verbindung wird unterhalb 6K das Auftreten einer spontanen elektrischen Polarisation von bis zu 13 muC/m2 in einer antiferromagnetisch geordneten Phase beobachtet. Eine starke magnetoelektrische Wechselwirkung tritt in Form der Schaltbarkeit der elektrischen Polarisation von der kristallographischen b- in die c- Richtung mittels eines senkrecht zur b-Richtung applizierten Magnetfeldes auf. Ein entsprechendens magnetoelektrisches Phasendiagramm wird vorgestellt. Als zweites Pyroxen wird die synthetisch hergestellte Verbindung LiFeSi2O6 untersucht. Diese Substanz wird als neues lineares Magnetoelektrikum identifiziert, dessen magnetoelektrische, antiferromagnetische Phase unterhalb einer magnetfeldabhängigen Übergangstemperatur kleiner-gleich 18.5 Kelvin auftritt. Bei Applizierung von Magnetfeldern größer etwa 5 Tesla tritt ein Spinflop-Übergang auf, der das magnetoelektrische Verhalten zerstört. Aus einer kompletten Vermessung der dielektrischen Anisotropie wird der vollständige magnetoelektrische Tensor bestimmt. Eine Symmetrieanalyse führt zur Ableitung der exakten mikroskopischen magnetischen Struktur dieser Substanz allein auf der Basis makroskopischer dielektrischer und magnetischer Messungen: In der magnetoelektrischen Phase wird die magnetische Symmetrie von LiFeSi2O6 durch die magnetische Raumgruppe P21/c' mit parallel c angeordneten magnetischen Momenten beschrieben. In LiFeSi2O6 tritt, signalisiert durch einen starken nicht-symmetrischen Anteil im magnetoelektrischen Tensor, ein ferrotoroidaler Effekt auf. Ein Ausdruck für das entsprechende Toroidisierungsgitter wird aus der ermittelten magnetischen Struktur abgeleitet. Als dritte Verbindung aus der Klasse der Pyroxene wird synthetisch hergestelltes LiCrSi2O6 untersucht. Diese Substanz zeigt ebenfalls linear magnetoelektrisches Verhalten. Der Übergang von der ungeordneten in eine antiferromagnetisch geordnete linear magnetoelektrische Phase erfolgt in LiCrSi2O6 bei einer magnetfeldunabhängigen Phasenübergangstemperatur von etwa 11K.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language New magnetoelectrics and magnetoelectric multiferroics English
Translated abstract:	Abstract Language The main issue of this thesis is the quest for new multiferroic materials with strong magnetoelectric coupling. First, the establishment and optimization of the required equipment for low temperature dielectric measurements is presented. Within the first class of compounds examined, the tungstates MWO4 and MIMII(WO4)2, MnWO4 is identified as a new multiferroic compound, whose magnetoelectric coupling is generated by a spiral spinstructure. For the double tungstate NaFe(WO4)2 multiferroic behaviour is determined as well. Since this compound exhibits a collinear spinstructure, a different and potentially unknown mechanism of magnetoelectric coupling can be expected here. Within the second class of compounds examined, the pyroxenes AMSi2O6, the mineral aegirine with composition Na1.04Fe0.83Ca0.04Mn0.02Al0.01Ti0.08Si2O6, determined by microprobe analysis, is identified as a new multiferroic compound: Below 6K a spontaneous electric polarisation of up to 13 muC/m2 occurs in an antiferromagnetically ordered phase. A strong magnetoelectric interaction is evidenced by the switching of the electric polarisation from crystallographic b- to the c-direction when a magnetic field is applied within the ac-plane. A corresponding magnetoelectric phase diagram is presented. The second pyroxene which is investigated is synthetic LiFeSi2O6. This compound is shown to be a linear magnetoelectric material whose magnetoelectric antiferromagnetic phase exists below a magnetic field dependent phase transition temperature less-than-or-equal 18.5 Kelvin. Application of magnetic fields greater than 5 Tesla initiates a spin-flop transition destroying the magnetoelectric behaviour. A complete determination of the dielectric anisotropy leads to the evaluation of all components of the magnetoelectric tensor. A symmetry analysis allows to deduce the exact microscopic magnetic structure of this compound based only on macroscopic dielectric and magnetic measurements: In the magnetoelectric phase the magnetic symmetry is described by the magnetic space group P21/c' with magnetic moments arranged parallel c. Signalled by a strong non-symmetric part of the magnetoelectric tensor, a ferrotoroidal effect occurs in LiFeSi2O6. An appropriate term for the corresponding toroidisation lattice is deduced from the determined magnetic structure. The third pyroxene to be examined is synthetic LiCrSi2O6. This compound shows linear magnetoelectric behaviour as well. The transition from the disordered to an antiferromagnetically ordered linear magnetoelectric phase occurs at a magnetic field independent phase transition temperature of about 11K. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Jodlauk, Sven jodlauk@gmx.net UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-30555
Date:	2009
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institut für Kristallographie
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language multiferroisch , magnetoelektrisch , Pyroxene , Wolframate , Toroidisierung German multiferroic , magnetoelectric , pyroxenes , tungstates , toroidization English
Date of oral exam:	2 February 2010
Referee:	Name Academic Title Bohatý, Ladislav Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/3055