Ученые разработали новый метод визуализации структуры кристалла и рассмотрели в ней элемент размером в несколько сотен микрон, который раньше никто не видел. Это позволит исследователям разобраться в мангитоэлектрических свойствах кристаллов, улучшить качество материалов и в будущем создать новые энергосберегающие устройства для электроники. Результаты исследования представлены в журнале Crystals.
Ученые из ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» совместно с коллегами из Москвы, Франции и Израиля создали новый метод для визуализации структурных характеристик в нецентросимметричных материалах. С его помощью ученым удалось рассмотреть домены — структурные элементы кристаллов размером в несколько сотен микрон, которые раньше никому не удавалось увидеть.
Домен — небольшая часть кристалла, которая формирует его структуру и отвечает за ориентацию. Известно, что домены тесно связаны с магнитоэлектрическим эффектом, однако об их существовании мало известно, потому что они крайне сложны для наблюдения. Новая методика позволяет визуализировать домены и исследовать принципы и особенности их образования.
В своем подходе ученые объединили два известных метода: микро-фокусирующую рентгеновскую оптику и поляризованное рентгеновское излучение. Исследователи выбирали излучение на определенной длине волны и фокусировали его при помощи линзы на конкретной точке в кристалле. Сосредотачиваясь в одной точке образца, луч может «поймать» домен и передать о нем данные через спектральное отражение. На выходе ученые получают данные о спектрах и могут судить по ним, например, о размерах доменов и других их свойствах.
Специалисты установили, что типичный размер доменов составляет несколько сотен микрон. Они опробовали свой метод на кристаллах ферробората саммария, которые известны своим большим магнитоэлектрическим эффектом и предположительно могут эффективно применяться в запоминающих устройствах. Просветив кристалл новым методом, ученые обнаружили, что он является двойниковым — то есть, представляет два объекта, соединенных в один. При этом их домены были ориентированы по-разному и являлись зеркальными отражениями друг друга. В соответствии с положением доменов, строение кристаллов, сформированных по спирали, направлено для первого в правую сторону, а для второго — в левую. Как показали ученые, двойниковость кристалла занижала значение его магнитоэлектрического эффекта.
«Разработанный метод перспективен для определения размера и пространственного распределения доменов в кристаллах. Наш подход показывает хорошие результаты и для многократно двойниковых кристаллов или других материалов со сложной доменной структурой, изучить которые иными методами невозможно. Важным преимуществом жесткого рентгеновского излучения является его высокая проникающая способность, что позволяет проводить измерения реальных объемов образцов и исследовать специфические свойства объекта. Это особенно многообещающе для образцов с множеством двойниковых доменов. Разработанный нами метод может быть мощным инструментом для улучшения качества материалов с нецентросимметричными структурами. Кроме того, он поможет понять механизм магнитоэлектрической связи в различных ферромагнитных кристаллах. Если понять расположение доменов и потом научиться управлять их ростом, то можно будет не просто прогнозировать, а увеличивать и усиливать свойства материала, добиваться новых эффектов, которые потом будут применяться в электронике. Развитие подобных методов в настоящее время является крайне актуальной задачей, поскольку они будут применяться на установках класса mega-science, разрабатываемых в России. Например, синхротрон СКИФ в Новосибирске, в создании которого участвуют и исследователи из нашего центра, РИФ на острове Русский и СИЛА в Московской области», — рассказал старший научный сотрудник Института физики им. Л. В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат физико-математических наук Михаил Сергеевич Платунов.
Ученый также отметил, что, понимая законы, по которым формируются домены, можно научиться не только растить кристаллы, но и разделять двойниковые образцы, создавая из них два отдельных кристалла с ненарушенными свойствами.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (19-72-00002; 16-12-1053), Российского фонда фундаментальных исследований (№ 19-52-12029;№ 19-02-00483), а также частичной поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации.
Группа научных коммуникаций ФИЦ КНЦ СО РАН
