Single phase and composite multiferroic thin films and heterostructures from aqueous chemical solution deposition

Abstract

Magnetoelectric multiferroics as materials with coexistence of two or more ferroic properties and coupling between the ferroic orders present not only the vast playground for different areas of fundamental research but they also have a great potential for memory and logic device applications. Offering possibilities towards miniaturization of electronic devices and at the same time increasing their performances, these multifunctional materials, especially in thin film form, have received enormous interest from the scientific community in the past decade. However, multiferroic materials with room temperature functionalities still remain a challenge. Besides the weak magnetoelectric coupling, bismuth ferrite (BiFeO3), currently the only known intrinsic multiferroic at room temperature is also facing issues with phase formation and thermal stability. Contradictory reports on phase purity and thermal stability of this compound have resulted in many open questions whereby some of them are related to the processing conditions of BiFeO3 thin films at elevated temperature. On the other hand, the composite multiferroics combining ferroelectric and ferri/ferromagnetic phases are considered as a promising alternative to single-phase multiferroic, although the new compositions and structures that would result in a material with enhanced magnetoelectric properties are still appealing. The question that we address throughout this work is how we can correlate synthesis, processing, structure and final properties of multiferroic materials. The main aim of the work presented in this thesis was to deposit and investigate different single phase as well as composite multiferroic thin films and heterostructures using the aqueous chemical solution deposition method as costeffective and easily accessible way. Furthermore, the additional aim was to contribute to understanding the phase formation and stability of BiFeO3 film depending on different processing parameters where particular emphasis was placed on the appropriate choice of the underlying substrate. The second part of the conducted work aims for creating self-organized composite heterostructures with various constituent phases using the flexibility of solution chemistry and further to investigate the potential of such solution-derived nanostructures in the field of multiferroics.

Magnetoelektrische multiferroïcs zijn materialen waarbij gelijktijdig een ferro elektrisch en (anti)ferro magnetisch moment optreedt en waarbij er een koppeling is tussen beide momenten zodat de magnetisatiegraad met een extern elektrisch veld kan gecontroleerd worden en de polarisatiegraad met een extern magnetisch veld. Daarom zijn deze materialen erg interessant voor toepassingen in multifunctionele onderdelen waar één enkel element verschillende taken moet kan vervullen, hetgeen dan leidt tot miniaturisatie van elektronica in combinatie met verhoogde prestaties. In de uitdaging om multiferroïsche materialen te ontwikkelen op kamertemperatuur heeft het onderzoek twee richtingen genomen. De eerste richting spits zich toe op de intrinsieke enkelfasige multiferroïca waar dunne films bestaande uit bismut ferraat (BiFeO3) zeer veelbelovend zijn. De tweede richting ontwikkelt composiet multiferroïca met aparte ferro elektrische en magnetische fasen. Bismut ferraat kent echter problemen naar fasevorming, fasezuiverheid en temperatuursstabiliteit die een negatieve invloed hebben naar de uiteindelijke materiaaleigenschappen en de toepassingsgeschiktheid van het gesynthetiseerde materiaal. Bovendien is het aantal alternatieven voor enkelfasige intrinsieke multiferroïcs die actief zijn bij kamertemperatuur zeer schaars zodat steeds meer nadruk komt te liggen op het ontwikkelen van nieuwe composieten en nieuwe mengstructuren met verbeterde magnetoelektrische eigenschappen. In deze thesis wordt uitgegaan van waterige oplossingen als goedkoop en milieuvriendelijk alternatief voor de afzetting van dunne films van bismut ferraat alsook van composieten. In het eerste deel van het project ligt de nadruk op het begrijpen van de invloed van de verschillende procesparameters en het onderliggende substraat op de fasenvorming en temperatuursstabiliteit van de BiFeO3 dunne films. In het tweede deel worden composietstructuren gecreëerd met behulp van zelfassemblage en de flexibiliteit van natchemische depositie en wordt het potentieel van natchemisch gedeponeerde nanostructuren in de multiferroïca onderzocht.