Цинк-теллуритные стекла имеют такие преимущества, как высокая оптическая прозрачность, низкая температура плавления и возможность интегрировать наночастицы других веществ. Они используются в оптоэлектронике, сенсорах для диагностики и радиационной защите. Это делает их идеальными кандидатами для создания стекол с сегнетоэлектрическими и ферромагнитными свойствами. Чистые цинк-теллуритные стекла — диамагнетики, то есть не обладают магнитными свойствами. Для придания им электрических и магнитных свойств ученые активируют их с помощью примесей. Физики в состав стекла добавили наночастицы титаната бария (BaTiO₃) и оксида железа (Fe₃O₄). В результате получился материал с комбинированными магнитоэлектрическими свойствами. Результаты исследования представлены в журнале «Стекло и керамика».
Ученые синтезировали стекла с разными концентрациями наночастиц (от одного до двух молярных процентов). Затем подробно изучили образцы методами рентгеновского анализа, который подтвердил аморфную структуру стекла с нанокластерами магнетита и титаната бария. Анализ магнитных свойств показал, что стекла, активированные оксидом железа и титанатом бария, при комнатной температуре — парамагнетики. При низких температурах исследователи обнаружили признаки ферромагнитного упорядочения. Как установили ученые, в стеклах наблюдается остаточная электрическая поляризация при 300 К, что косвенно подтверждает гипотезу образования заряженных кластеров в стекле.
«Мы считаем, что магнитоэлектрические свойства стекла проявляются благодаря образованию в нем кластеров оксида железа. Их строение еще предстоит исследовать», — рассказал Михаил Шестаков, старший научный сотрудник лаборатории оптики ультрахолодных атомных систем и функциональных материалов МФТИ.
Полученные образцы стали шагом к новым материалам — стеклянным мультиферроикам, где в стекле будут сегнетоэлектрическое упорядочение и ферромагнитное.
«На наш взгляд, наиболее значимый результат заключается в том, что активация стекла наночастицами титаната бария и оксида железа приводит к у меньшению его магнитного и электрического откликов по сравнению со стеклом, активированным только наночастицами оксида железа. Можно сказать, наночастицы титаната бария деактивируют синтезированное стекло, что довольно неожиданно», — поделился Михаил Шестаков.
Полученные стекла обладают большим потенциалом для применения в оптоэлектронике и фотонике, например в качестве волоконных усилителей и модификации оптического поведения за счет магнитных свойств. Они также могут использоваться в разработках магнитоэлектрических датчиков и сенсоров, где электрическое поле влияет на магнитное и наоборот. Магнитоэлектрические свойства стекол актуальны для разработки материалов для магнитной памяти и спинтроники, где данные записываются в виде электронных и магнитных состояний.
«В дальнейшем мы планируем исследовать структуру кластеров оксида железа и титаната бария, а также синтезировать новые стекла с другими активирующими веществами», — рассказал Михаил Шестаков.