Óxidos metálicos de transição ABO3 multiferróicos:uma interação rara de ferroeletricidade e magnetismo

Resumo

Este artigo de revisão resume o desenvolvimento de diferentes tipos de materiais que desenvolveram interesse em todos os campos da ciência, particularmente em novos nanomateriais que possuem propriedades elétricas e magnéticas em nanoescala. Materiais desse tipo que possuem propriedades magnéticas e elétricas têm aplicações tremendas e possuem uma intensa atividade de pesquisa. Esses materiais induzem novas propriedades que são particularmente importantes em dispositivos eletrônicos e magnéticos e mesmo em materiais onde as propriedades magnéticas serão alteradas pelo campo elétrico ou vice-versa. A descoberta de tais propriedades ferroicas para aplicações científicas é a necessidade de hora e espalha uma área nova e estimulante que tem potencial técnico e comercial para a descoberta de materiais avançados. Em estudos recentes, o caminho real pelo qual as propriedades multiferróicas existem foi focado e novos compostos de óxido de metal foram descobertos. A compreensão da estrutura desses compostos por meio de pesquisas descreve uma ampla gama de aplicações e os desafios desses materiais multiferróicos que precisam ser explorados. Neste estudo, aspectos fundamentais e variações estruturais de óxidos de metal de transição ternários foram cobertos, os quais possuem novas propriedades em dispositivos de armazenamento, como pratos de disco rígido e cabeças de leitura magnética.

Introdução

As propriedades magnéticas de objetos em escala nanoescala receberam o nome de conceito de nanomagnetismo, com uma área propensa de pesquisa em todos os campos científicos. As propriedades e aplicações de nanopartículas magnéticas, nanofilmes, nanobastões e muitos mais foram usados anteriormente também em geologia como ferrofluidos e têm escopo suficiente para explorar no futuro [1]. Esses materiais avançados têm sido usados em outros aspectos, como em alto-falantes e na área médica para liberação de medicamentos [2] ou mesmo na hipertermia magnética [3]. Os materiais de armazenamento em tamanhos muito pequenos geralmente encontram boa eficiência se fabricados em dispositivos pequenos que reduzem as dimensões das máquinas. Esses pequenos dispositivos compostos de nanopartículas magnéticas desempenham um papel importante nas indústrias e, mais importante, em aplicações biomédicas [4]. Esses materiais foram aplicados a dispositivos de imagem por ressonância magnética (MRI) que permitem e visualizam o ambiente local de células de tecido de células cancerosas ou tumores [5]. Essas nanopartículas magnéticas têm aplicações biomédicas únicas, particularmente para tratar doenças do sistema nervoso central e precisam explorar mais para encontrar abordagens inovadoras na distribuição de drogas para tratar doenças do Sistema Nervoso Central (SNC) [6].

A magnetização espontânea pode ser criada em uma estrutura semelhante a um loop chamada histerese pelo campo magnético aplicado. Essa característica particular dos materiais deu o nome de materiais ferromagnéticos, e essa propriedade dos materiais origina-se dos spins do elétron e de seu movimento orbital ao redor do núcleo. Na ausência de um campo magnético externo, os momentos magnéticos são orientados aleatoriamente, mas quando um campo é aplicado, esses spins são travados em uma ordem particular e um pequeno grupo de spins para formar estruturas semelhantes a domínios. As estruturas e o loop de histerese típico desses materiais magnéticos são mostrados na Fig. 1. Metais de transição como níquel, cobalto, cromo e ferro têm momentos magnéticos originados de orientações de spin e também têm uma contribuição orbital para o campo magnético [7]. Essas interações entre os spins alinhados em uma ordem particular a uma certa temperatura abaixo da temperatura de Curie (T _c ) e acima dessa temperatura os domínios ferromagnéticos superam a energia térmica [8]. A característica única da propriedade ferromagnética é ter um loop de histerese, caracterizado pela existência de magnetização de saturação (M _s ) acima do qual não há aumento de propriedade magnética adicional, seja qual for a magnitude do campo magnético aplicado. Outra característica dos materiais ferromagnéticos, magnetização remanescente (M _r ), armazena mesmo na ausência de campo magnético aplicado, e essa propriedade está relacionada com a memória ou capacidade de armazenamento dos materiais. Além disso, esses materiais ferromagnéticos são especificados com o campo coercivo (H _c ) que mede a magnitude da direção reversa do campo magnético para remover todo o seu efeito de magnetização. Essas três propriedades são de primordial importância para descobrir a fase potencial do material ferromagnético. Existe uma competição entre as energias de troca magnetostática e anisotropia, e existem os domínios de interação de ordem longa e curta [9].

Loop de histerese ferromagnética e efeito de alinhamentos de domínio magnético na aplicação de campo magnético

Propriedade ferroelétrica [10] caracterizada pela existência de polarização na presença de campo elétrico aplicado é análoga à propriedade ferromagnética. A diferença entre o ferroelétrico e o ferromagnético está na estrutura dos materiais, mas não com os átomos, portanto, o ferroelétrico é uma propriedade intrínseca. Essa propriedade depende de toda a estrutura e simetria dos compostos e da ordem, desordem e deslocamento dos íons que dão origem ao mecanismo de ferroeletricidade [11,12,13]. A polarização estruturada está relacionada com a propriedade ferroelétrica que resulta no loop de histerese formado a partir de domínios elétricos. Existe uma certa temperatura abaixo da qual a fase muda de paraelétrica para ferroelétrica chamada temperatura de transição, que por sua vez depende da natureza dos materiais. Essas características de mini domínio de histerese são mostradas na Fig. 2 e, de alguma forma, correspondem ao ciclo de histerese magnética. Traçando um gráfico entre a polarização elétrica versus o campo elétrico aplicado, uma estrutura semelhante a um loop foi formada com polarização de saturação (Ps), polarização remanente (Pr). e campo coercitivo (Hc) [14]. Aqui, o domínio começa a se alinhar na direção do campo positivo que dá origem à polarização rápida e atinge a polarização máxima denominada polarização de saturação e, além disso, não há mais aumento no valor da polarização. Além disso, se o campo aplicado for invertido, a polarização tende a diminuir e atinge um valor particular onde o campo aplicado é zero. A polarização remanescente (polarização residual no material quando o campo elétrico é totalmente removido) é a medida de retenção ou remanência dos materiais utilizados especificamente para memória e capacidade de armazenamento. Para atingir a polarização zero, o campo elétrico aplicado deve ser reduzido ainda mais. A magnitude do campo elétrico aplicado onde toda a polarização torna-se zero é chamada de campo coercivo. Esses valores são características de histerese que dependem da estrutura, natureza e tamanho dos materiais ferroelétricos [15].

Curva de histerese (P-E) em materiais ferroelétricos

Multiferroico:uma propriedade única e original [16]

O conceito de multiferróico foi introduzido por H. Schmidt em 1994 [17] e, de acordo com a última definição, materiais multiferróicos possuem duas ou mais fases ferroicas simultâneas em um único material [18]. Esses materiais tornaram-se objeto de pesquisas para investigar a natureza química e estudar a física do estado sólido [19]. A pesquisa em massa neste campo ajudou a desenvolver muitas novas ideias para utilizar em aplicativos de dispositivos. Uma das ideias é introduzir os bits multiferróicos que podem armazenar informações na forma de magnetização e polarização. Existem apenas alguns materiais que têm duas ou mais propriedades ferroicas e, portanto, os materiais multiferróicos são raros [20]. Esta tendência de materiais com uma ou mais de duas propriedades foi mostrada na Fig. 3, onde indica claramente que existem muito poucos materiais que apresentam o comportamento multiferróico [21]. Por isso, esse campo de pesquisa é um desafio para o mundo atual e precisa ser focado [22]. A existência rara de multiferróicos está relacionada com o mecanismo de comportamento ferroelétrico que exige orbitais d vazios, e por outro lado, o ferromagnetismo precisa de orbitais d parcialmente preenchidos [23, 24]. Para compensar esse tipo de polêmica e atingir a natureza multiferróica, a estrutura dos materiais precisa ser sintonizada de forma que um átomo se mova do centro para formar dipolos elétricos e se relacione com momentos magnéticos. Isso levará a um mecanismo alternativo para magnetismo ou ferroeletricidade. Ainda há certas coisas que podem ser exploradas em nanoescala. A natureza multiferróica dos materiais nanoestruturados pode abrir novos horizontes nas aplicações de fabricação de pequenos dispositivos eficientes, como chips de computador, e muitos mais. A pesquisa recente está se concentrando em materiais nano-multiferróicos para fabricação, design e aplicações. As estruturas de parede do domínio ferroeclétrico e a posição dos íons magnéticos desempenham um papel importante para obter a nova funcionalidade para o desenvolvimento de novos dispositivos. A formação, engenharia e aplicação, alterando as estruturas, podem ser usados para transportar as informações nos dispositivos mais recentes. Interesse contínuo e espaço crescente foram dados aos materiais multiferróicos que resultaram na quarta ordem ferroica chamada ferrotoroidicidade [25, 26] e também determinaram as paredes do domínio da condutividade elétrica que são diferentes dos materiais a granel relacionados com propriedades de memória [27]. Uma coisa bastante nova e interessante também foi observada com a ajuda de técnicas de deposição de filme, que o campo elétrico fornece o magnetismo à temperatura ambiente [28]. Embora o estudo multiferróico tenha alcançado um interesse apreciável de todos os pesquisadores ao redor do mundo, ainda há uma abordagem pobre de comercialização dos materiais multiferróicos que precisam ser acelerados em um futuro próximo.

Classificação geral de materiais multiferróicos. Adaptado de Eerenstein et al. [21]

Várias classes de compostos multiferróicos com base na estrutura

Ferritas de bismuto (BiFeO ₃ Compostos)

Óxidos ternários de ferrita de bismuto e os compostos derivados são estruturas perovskita e são compostos multiferroicos promissores [29]. Este ABO ₃ O composto de ferrita bismuto perovskita tem ferroeletricidade do par de elétrons solitário no metal central A (Bi ³⁺ ) íon que distorce a partir da posição e da simetria do composto perdido que fornece a propriedade ferroelétrica [30]. O cátion no local da posição B é Fe ³⁺ íon que é pequeno e tem elétrons d desemparelhados que fornecem as propriedades magnéticas de BiFeO ₃ composto como mostrado na Fig. 4 [31]. Aqui, pode-se concluir que a polarização é causada por Bi ³⁺ elétrons de par solitário presentes em 6s ² orbitais e propriedades magnéticas surgem de Fe ³⁺ íons. A fabricação de BiFeO ₃ os nanocompostos podem levar a uma nova direção de pesquisa que ajudará a construir materiais multiferróicos interessantes. Houve problemas de fuga de corrente que reduziram os parâmetros elétricos das ferritas de bismuto e foram posteriormente melhorados pela adição de íons estrôncio-zircônio no BiFeO ₃ -BaTiO ₃ compósitos. Além disso, a estrutura de fase, a textura da superfície e as propriedades elétricas também foram estudadas sistematicamente [32]. Muitas pesquisas foram realizadas em perovskita ferroelétrica BiFeO ₃ para muitos fins de aplicação, mas raramente foi investigado para a conversão de energia de pequenos movimentos mecânicos em eletricidade, apesar de sua grande polarização remanescente teórica. Mas houve um relatório que mostrou que BiFeO ₃ nanomateriais têm um grande potencial para nanogeradores piezoelétricos sem chumbo em grande escala e essas nanopartículas foram sintetizadas por um processo sol-gel [33]. Bi ₅ Ti ₃ FeO ₁₅ (BTF) nanofibras multiferroicas sem chumbo foram fabricadas por eletrofiação e exibem um coeficiente micro-piezoelétrico eficaz com micro-ferroeletricidade benigna [34]. Além disso, o comportamento de acoplamento entre macro-ferroelétrico e magnetoelétrico foi encontrado por não sinterização e prensagem pela primeira vez e é menor que Bi ₅ Ti ₃ FeO ₁₅ cerâmica. Os momentos magnéticos do BiFeO ₃ foram equilibrados entre si por dois íons de Fe girando na direção oposta dentro da célula, e o gap foi encontrado em torno de 20,5 eV [35]. Foi analisada a densidade de estados que indica que a banda de valência é composta pelos estados Fe-d e O-p, enquanto a banda de condução é composta pelos estados Fe-d e Bi-p. A função dielétrica, absorção, índice de refração, coeficiente de extinção, refletividade e perda de energia do elétron também foram relatados para BiFeO ₃ .

a A estrutura cristalina da perovskita de BiFeO ₃ adaptado de Seidel et al. [28]. b Estrutura de perovskita distorcida adaptada de Ederer e Spaldin [31]

Ítrio magnetita (YMnO ₃ ) Compostos

Parece que YMnO ₃ composto tem a mesma perovskita ABO ₃ estrutura tipo, mas tem uma estrutura cristalina e arranjos eletrônicos diferentes. Em contraste com as perovskitas convencionais, as manganitas hexagonais têm seu Mn ³⁺ íons com coordenação quíntupla, localizados no centro de um MnO ₅ bi-prisma trigonal. Os íons R, por outro lado, têm coordenação de 7 vezes, ao contrário da coordenação cúbica em perovskitas. A camada de Y ³⁺ íons diferenciam o MnO bidimensional ₅ biprisma como mostrado na Fig. 5, que representa o YMnO ₃ célula unitária mostrando estruturas iônicas. Um novo conceito de ferroeletricidade antiferromagnética foi encontrado em YMnO ₃ , e a estrutura geométrica conduz as propriedades ferroelétricas que acopla com a propriedade magnética de YMnO ₃ composto [36]. A inclinação de MnO ₅ biprisma trigonal resulta na perda de simetria de inversão na estrutura que conduz as propriedades ferroelétricas de YMnO ₃ -compostos do tipo [37]. O acoplamento entre a ferroeletricidade e a ordem magnética é bastante diferente, e esta é a principal razão pela qual o acoplamento magnetoelétrico não poderia ser possível em tais tipos de materiais. Mas os movimentos de íons no MnO ₅ de camadas inclinadas poliedros levam ao efeito de polarização líquida [38, 39] como mostrado na Fig. 6. Também foi relatado que hexagonal YMnO ₃ nanofibras preparadas pelo método sol-gel e as fibras fiadas preparadas foram secas a 125 ° C com diâmetro uniforme [40]. Em um aumento na temperatura da amostra preparada, houve uma mudança adequada na morfologia e na faixa de diâmetro com constituintes químicos homogêneos ao longo de seu comprimento.

Estrutura cristalina de YMnO ₃ apresentando camadas de MnO ₅ poliedros e átomo de Y entre as camadas. Adaptado de Wadati et al. [38]

Visão esquemática tridimensional de YMnO ₃ nos estados polarizados. Adaptado de Spaldin et al. [39]

Rare Earth (RMO ₃ , M =Fe, Cr, Mn) Compostos multiferróicos

A última pesquisa descobriu que óxidos ternários de metais de terras raras que podem conter elementos de ferro, manganês e cromo no local B apresentam propriedades multiferróicas nas quais o ferromagnético fraco é acompanhado pelo comportamento ferroelétrico à temperatura ambiente [41]. No caso de RFeO ₃ compostos, a estrutura de tal tipo de compostos é células unitárias ortorrômbicas [42] com estrutura perovskita distorcida. Essa distorção ocorre apenas por causa do íon de terras raras R ³⁺ posições e a presença de Fe ³⁺ íons em um ambiente octaédrico. Essas estruturas têm FeO ₆ octaedra nas três dimensões, um dos O ^2- íons formam um ápice comum entre os dois octaedros, e os dois átomos de ferro fornecem a ligação de superexchange através de O ^2- íons. Neste conceito, os átomos de Fe são ligeiramente inclinados, o que resulta em fracas interações ferromagnéticas [43]. Desde o RFeO ₃ compostos estão incluídos na família das ferritas centrossimétricas, ainda existe a propriedade ferroelétrica à temperatura ambiente. Este comportamento incomum pode ser explicado com a literatura que relatou um SmFeO ₃ composto onde os spins não equivalentes são responsáveis pela propriedade ferroelétrica induzida e receberam o nome de ferroeletricidade induzida por ordenamento antiferromagnético [44] que foi mostrado na Fig. 7.

Estrutura cristalina e espectro magnético de SmFeO ortorrômbico ₃ . Adaptado de Scoot et al. [44]

A segunda classe de óxidos multiferróicos de terras raras é o RCrO à base de cromo ₃ compostos. No lugar de FeO ₆ estrutura, inclinação antifásica de CrO ₆ octaedro como mostrado na Fig. 8 estava presente em ortorrômbico (RCrO ₃ , R =Y, Gd, Tb) compostos multiferróicos. A polarização da natureza ferroica acopla-se à ordenação magnética das sub-redes de íons de Cr, e a conhecida interação Dzyaloshinskii-Moriya (DM) dá origem às fracas propriedades ferromagnéticas do Cr ³⁺ íons [45]. GdCrO ₃ compostos, o momento magnético dos íons de Cr, são antiparalelos aos cátions mais próximos e são representados pela configuração do tipo G. A classe de ferroeletricidade de RCrO ₃ compostos ainda não são explicados adequadamente, embora tenha sido assumido que a distorção descentralizada foi proposta para a origem do comportamento ferroelétrico. Este tipo de mecanismo foi relatado em películas finas, nano e em massa de RCrO ₃ compostos [46,47,48]. Na presença de campo magnético aplicado, a força de polarização pode ser variada no caso de GdCrO ₃ compostos. YCrO ₃ é ortorrômbico, mas ainda é ferroelétrico, pois os átomos de Cr são deslocados da posição em uma direção particular, o que resulta na polarização. Isso mostra o novo conceito que pode ser visualizado por muitas propriedades incomuns de materiais multifuncionais.

Estrutura de cristal perovskita ortorrômbica distorcida de RCrO ₃ . Adaptado de Fender et al. [45]

Cubic GdFeO ₃ partícula por uma rota de síntese hidrotérmica simples e sua fotoluminescência e propriedades magnéticas foram investigadas [49]. Através da investigação das propriedades fotoluminescentes e magnéticas, o GdFeO cúbico ortorrômbico ₃ as partículas exibiram uma luminescência dopada muito boa, que emite luz de cores diferentes quando dopada com diferentes elementos de terras raras. O GdFeO ₃ as partículas contêm propriedades paramagnéticas. Pode ser uma excelente luminescência e material magnético. Alto acoplamento magnetoelétrico usando um único cristal de DyFeO ₃ e GdFeO ₃ foi relatado antes, mas a natureza multiferróica ocorre apenas em temperaturas muito baixas [50]. Síntese de pó de estado sólido de GdFeO ₃ e GdCrO ₃ envolve a moagem mecânica extensiva dos óxidos necessários (Gd ₂ O ₃ , Fe ₂ O _3, e Cr ₂ O ₃ ) em temperatura de calcinação alta o suficiente ∼ 1800 ° C. Um método sonoquímico simples para a síntese de nanopartículas de uma série de ortoferritas de terras raras foi relatado. Este processo sonoquímico está permitindo a síntese de nanopartículas de ortoferritas de terras raras em uma temperatura de calcinação substancialmente mais baixa usando precursores simples, pentacarbonil de ferro e carbonatos de terras raras. É particularmente notável que a cogeração da fase granada não tenha sido observada, como é usual com os métodos convencionais. A redução drástica na temperatura de calcinação pode ser devido à geração ultrassônica de óxido de ferro amorfo de Fe (CO) ₅ . Nanosized GdFeO ₃ , ErFeO ₃ , TbFeO ₃ , e EuFeO ₃ foram preparados por este método, e suas propriedades magnéticas também foram estudadas em detalhes [51]. Nanopartículas de ortoferrita altamente cristalinas (tipo La _{1 − x} Gd _x FeO ₃ , onde x =0 a 1) foram preparados usando o método de autocombustão. Nosso interesse particular é a caracterização das propriedades estruturais e magnéticas de determinados compostos, com forte ênfase no papel de Gd ³⁺ íons na modulação da estrutura e resposta magnética [52]. Perovskitas com composição MFeO ₃ são uma classe de materiais com aplicações potenciais, como catalisadores [53], sensores, [54] semicondutores e [55] materiais magnéticos e magneto-ópticos [56]. A síntese seletiva de fase de LnFeO ₃ (Ln =terra rara) é um desafio porque existem fases coexistentes indesejáveis [57, 58]. Gd orientado por luz visível ₂ Ti ₂ O ₇ / GdCrO ₃ composto para evolução de hidrogênio foi relatado, e uma série de Gd ₂ Ti ₂ O ₇ / GdCrO ₃ os compósitos são preparados por combustão em estado sólido. A atividade fotocatalítica dos compósitos é examinada para a produção de hidrogênio sem o uso de qualquer co-catalisador sob iluminação de luz visível. A taxa de formação de hidrogênio é medida pelo dispositivo de medição da atividade fotocatalítica e cromatografia gasosa (GC). A maior eficiência é observada sobre o compósito GTC (Cr:Gd:Ti =1:1:1). Com base em medições de fotocorrente e PL, um mecanismo para a atividade fotocatalítica aumentada foi discutido [59]. Propriedades magnéticas incomuns de ortoferrita nanocristalina, GdFeO ₃ , sintetizado pela rota de reação de estado sólido convencional (SSR) com base na mistura estequiométrica de Fe ₂ O ₃ e Gd ₂ O ₃ foram encontrados no relatório [60]. As amostras policristalinas de GdFe _1-x Ni _x O ₃ ( x =0,0, 0,1) são preparados pela rota de reação de estado sólido. Também foi notado que Ni ³⁺ a substituição de íons resulta na contração da rede e no aumento de uma constante dielétrica, perda tangente e condutividade AC [61].

Os únicos estudos magnéticos disponíveis foram focados na espectrometria Mossbauer para sondar transições SR induzidas por campo em DFO [62, 63]. Entre esses compostos, o DFO é o único ortoferrito de terras raras que mostra a transição de Morin em 35 K seguida por três transições anômalas em temperaturas de 77 K, 130 K e 270 K originadas provavelmente devido ao efeito de origem da reorientação de spin induzida por campo (SR) da interação magnética competitiva entre Dy ³⁺ e Fe ³⁺ íons. A síntese assistida por micro-ondas de cromitas de terras raras e propriedades físicas foram relatadas. As medições de magnetização mostraram que a temperatura de Neel para Cr antiferromagnético ³⁺ -Cr ³⁺ o pedido depende fortemente do RE ³⁺ raio iônico e uma rica variedade de diferentes interações de spin magnético existem. Em pelotas sinterizadas, as diferenças eletrônicas no contorno do grão e no material a granel interno, o que dá os dois relaxamentos dielétricos monitorados por espectroscopia dielétrica. Os dados de difração de raios-X, espectroscopia Raman e permissividade dielétrica dependente da temperatura não indicam potencial não centrossimetria no cristal ou ferroeletricidade concomitante. Esforços sistemáticos foram realizados para preparar uma série completa de (RE) CrO ₃ compostos, que podem se assemelhar na estrutura de YCrO ₃ composto. Uma investigação detalhada das propriedades magnéticas e dielétricas e suas correlações com um foco particular no possível comportamento magnetoelétrico ou multiferróico conforme observado foi relatada [64]. As propriedades de transporte de carga em (RE) CrO ₃ alegou-se que os materiais envolvem semicondutividade do tipo p com sensibilidade a umidade, metanol, etanol e vários gases, o que é útil para aplicações de sensores em potencial. [65, 66]. Além disso, LaCrO ₃ e suas variantes dopadas são candidatas para aplicação como materiais interconectados em células a combustível de óxido sólido [67, 68] e como catalisadores para a oxidação de hidrocarbonetos [69]. Ortoferritos de terras raras do tipo LnFeO ₃ (Ln ¼ Gd, Dy, Sm) estão cristalizando a estrutura perovskita distorcida ortorrombicamente. A presença de polarização elétrica no estado fracamente ferromagnético de DyFeO ₃ foi relatado em uma amostra policristalina, [70] em que a ferroeletricidade desaparece abaixo da temperatura de reorientação do spin. A importância do campo local induzido nos íons Dy pelo momento ferromagnético fraco da sub-rede de Fe em G ₄ estrutura é revelada pelo campo zero [71] Fe Mossbauer espectros de DyCrO ₃ . Suscetibilidade magnética de ortocromitas de terras raras pesadas em temperaturas mais altas [72] e propriedades magnetocalóricas de DyCrO substituído por terras raras ₃ também foram relatados [73]. A investigação detalhada da interação magnética foi encontrada em DyCrO ₃ pós a granel [74] usando o método de síntese hidrotérmica. Estudos detalhados sobre CeCrO nanocristalino ₃ foram encontrados para exibir multifuncionalidades, como antiferromagnetismo, comportamento relaxante e um gap óptico na região visível. Esta rota de síntese recém-desenvolvida abre as imensas possibilidades de preparação do até então desconhecido Ce ³⁺ à base de óxidos mistos, análogos a outras terras raras (RE ³⁺ ) homólogos [75]. O estado metaestável induzido por campo com ordem polar elétrica aparece nas temperaturas de ordenação magnética de Cr ³⁺ íons nas ortocromitas fracamente ferromagnéticas de terras raras (RCrO ₃ , onde R é um íon magnético de terra rara), exibindo uma polarização elétrica relativamente grande ~ 0,2–0,8 μC / cm ² , começando em temperaturas bastante altas (~ 120–250 K) correspondendo às temperaturas de Neel do subsistema Cr [76]. Propriedades magnéticas estáticas e dinâmicas e efeito da química da superfície na morfologia e cristalinidade de DyCrO ₃ nanoplacas foram relatados [77].

Também foi relatado que ortoferritas nanométricas podem ser usadas como fotocatalisadores na decomposição de água ou na degradação de corantes sob irradiação de luz. Esta área de pesquisa foi ampliada significativamente devido ao advento de uma nova classe de óxidos exibindo interessantes propriedades multiferróicas e magnetoelétricas decorrentes da ferroeletricidade induzida magneticamente. Curiosamente, esses materiais são óxidos de metal de transição simples, a maioria deles possuindo a estrutura de perovskita. Características novas de ferritas e cromitas multiferróicas e magnetoelétricas exibindo ferroeletricidade magneticamente acionada. Foi visto que quase todos os fotocatalisadores de óxido semicondutor são estáveis, mas ativos sob irradiação de luz ultravioleta. O desenvolvimento de um método geral moderado para preparar cromitas de terras raras de tamanho e formato de cristal uniforme é importante para outras aplicações relacionadas a cristal único. Os cristais únicos com o tamanho de um micrômetro preservam mais das propriedades de volume em comparação com suas contrapartes policristalinas correspondentes adquiridas com precursores tratados em alta temperatura. Compreender as estruturas cristalinas e as estruturas de bandas de óxidos metálicos complexos é, sem dúvida, um aspecto chave para explorar funcionalidades novas ou aprimoradas. Para reações de baixa temperatura, em particular as topoquímicas, igualmente importante é o entendimento dos fatores que direcionam as estruturas finais durante uma reação, como a fase intermediária e a rota de migração de íons, utilizando considerações cinéticas e termodinâmicas. Além disso, tal conhecimento, conforme demonstrado aqui pelo trabalho de filme fino, certamente ajudará no desenvolvimento de novos condutores de íons para aplicações de baixa temperatura. As paredes macroporosas são compostas de nanopartículas de ortoferrita de terras raras, e esses materiais hierarquicamente porosos mostram altas atividades catalíticas para a reação de CO + NO, e o NO pode ser totalmente convertido em N ₂ em temperaturas tão baixas quanto 350 ° C, indicando seu potencial na conversão catalítica de gases de exaustão automotivos e outros campos relacionados à catálise. Esta estratégia de síntese é um método fácil para a preparação de materiais porosos hierárquicos e pode nos dar uma diretriz para a síntese de materiais funcionais com outras aplicações catalíticas [78]. Com o desenvolvimento da indústria automobilística, os gases de escape dos automóveis se tornaram uma das principais fontes de poluição do ar. O controle da poluição do escapamento de automóveis é particularmente significativo para reduzir a poluição do ar. TbFeO ₃ 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 O ₉ 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.

Conclusão

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.