Мультиферроиками называются материалы, объединяющие в себе два вида «ферроупорядочений»: магнитное (ferromagnetic) и сегнетоэлектрическое (ferroelectric) (рис. 1). Этим материалам присущи как свойства, характерные для каждого из классов в отдельности (спонтанная намагниченность, магнитострикция, спонтанная поляризация и пьезоэлектрический эффект), так и совершенно новые свойства, связанные с взаимодействием магнитной и электрической подсистем: магнитоэлектрический эффект (индуцированная магнитным полем электрическая поляризация и индуцированная электрическим полем намагниченность), эффект магнитоэлектрического контроля (переключение спонтанной поляризации магнитным полем и спонтанной намагниченности электрическим полем), магнитодиэлектрический эффект или «магнитоемкость» (изменение диэлектрической постоянной под действием магнитного поля).
Рис. 1. Схема проявления свойств мультиферроиков
Существуют два основых типа мультиферроиков. В мультиферроиках I типа магнитное и электрическое упорядочения связаны слабо, магнетизм и сегнетоэлектричество возникают независимо друг от друга. Для них температура магнитного упорядочения ниже температуры электрического упорядочения. В мультиферроиках II типа существует сильная связь между двумя типами упорядочения, появление сегнетоэлектрического упорядочения является следствием существования магнитного упорядочения. Для них температура магнитного перехода выше температуры сегнетоэлектрического перехода.
Поскольку гомогенных мультиферроиков существует сравнительно немного и, кроме того, магнитоэлектрические константы гомогенных мультиферроиков довольно малы, что делает их малопригодными для практического использования, то обычно применяют композиты, состоящие из магнитного и сегнетоэлектрического материалов (рис. 2). В качестве магнитного компонента таких композитов используют феррит кобальта CoFe2O4, феррит никеля NiFe2O4, оксид железа Fe3O4, манганит лантана-стронция La1–xSrxMnO3, а также металлы, в качестве сегнетоэлектрического – титанат бария BaTiO3, титанат свинца PbTiO3, титанат-цирконат свинца Pb(Zr,Ti)O3 и др.
Рис. 2. Разновидности структур композиционных мультиферроиков: а – магнитные частицы распределены в пленочной сегнетоэлектрической матрице; б – чередующиеся магнитные и сегнетоэлектрические слои; в – сегнетоэлектрическая (или магнитная) пленка сформирована на магнитной (или сегнетоэлектрической) подложке
Мультиферроики позволяют создавать на единой материальной платформе устройства, преобразующие информацию в форме намагниченности в электрическое напряжение и обратно, что является весьма привлекательным решением задач сенсорной техники, магнитной памяти, микроэлектроники.
В настоящее время для детектирования магнитного поля обычно используются датчики, действие которых основано на эффекте Холла или эффекте гигантского магнитосопротивления. Работа таких устройств предполагает протекание электрического тока, что приводит к омическим потерям. Кроме того, при высоких скоростях считывания информации в жестких дисках значительными становятся потери на вихревые токи, возникающие в проводящих частях устройств. Еще большую трудность представляет решение задачи генерации магнитного поля в устройствах магнитной памяти. Дальнейшее увеличение плотности записи информации требует создания все более сильных полей в малых объемах. Однако применяющиеся в настоящее время индуктивные элементы уже не удовлетворяют этим возрастающим требованиям: генерация сильных магнитных полей требует увеличения токов в катушках записи, что влечет за собой увеличение омических потерь, разогрев и перегорание элементов. Кроме того, магнитные катушки страдают от вихревых токов и сложны в изготовлении.
Использование мультиферроиков для магнитоэлектрических преобразователей может стать естественным решением указанных проблем, поскольку преобразование магнитного поля в электрическое напряжение с их помощью не требует протекания электрических токов, что снижает омические потери, и, кроме того, диэлектрические свойства мультиферроиков избавляют также от потерь на вихревые токи. Емкостные элементы на основе магнитоэлектриков лучше совместимы с применяемой в микроэлектронике планарной технологией и обеспечивают возможности создания больших напряженностей магнитного поля в малых объемах.
Особый интерес представляет использование мультиферроиков в спинтронике, использующей транспортные свойства спин-поляризованных электронов. Многие мультиферроики кристаллизуются в структуры, схожие с магнитными полуметаллами, что позволяет комбинировать эти материалы в многофункциональные эпитаксиальные гетероструктуры, где слой мультиферроика будет использоваться как сегнетоэлектрический туннельный переход, управляемый магнитным полем, или магнитный туннельный переход, управляемый электрическим полем.
Устройства на основе мультиферроиков могут составить серьезную конкуренцию датчикам Холла в таких традиционных приложениях магнитных сенсоров как датчики положения, уровня жидкости, счетчики оборотов вращающихся деталей, устройства ввода информации в компьютер и др.
Указанные выше области применения мультиферроиков позволяют сформулировать следующие основные критерии для их практического использования: температуры магнитного и электрического упорядочения выше комнатной; значительные величины магнитоэлектрического эффекта; малая электропроводность. Одним из наиболее перспективных мультиферроиков является феррит висмута BiFeO3, что в значительной мере связано с высокими температурами электрического и магнитного упорядочений. В тонких пленках феррита висмута (толщина 50–500 нм) проявляется гигантский магнитоэлектрический эффект ~3 В/(см•Э), на несколько порядков превышающий наблюдавшиеся в других материалах при комнатных температурах.