home          

terug naar actuele persberichten

23 november 2004          
2004/17          

Nieuwe methode om ferro-elektrische magneten te maken

Natuurkundigen van de Stichting FOM, de Universiteit Leiden, de Rijksuniversiteit Groningen en de Universiteit van Keulen hebben in theorie een nieuwe methode gevonden om ferro-elektrische magneten te maken. Magnetisme en ferro-elektriciteit zijn eigenschappen die normaal niet in één materiaal voorkomen. De onderzoekers hebben nu een materiaal ontdekt waarin dat in theorie wel mogelijk is. Ze publiceren hun resultaten in het decembernummer van het vaktijdschrift Nature Materials. Onderzoekers elders gaan nu in experimenten na of de ontdekte ferro-elektrische magneten ook in het echt bestaan. Ferro-elektrische magneten kunnen toegepast worden als hybride geheugenelement. In een ferro-elektrische magneet kan zowel informatie opgeslagen worden in het interne magnetische veld als in het interne elektrische veld van het materiaal. Daarnaast kan bijvoorbeeld met een extern magnetisch veld het elektrische veld in het geheugenelement omgeschakeld worden. Dergelijke geheugens zullen stralingshard zijn en hun informatie blijft bewaard, ook wanneer de bronspanning wegvalt.

Magnetisme en ferro-elektriciteit
Ferro-elektrische magneten bestaan uit oxiden van zogeheten overgangsmetalen (voorbeelden zijn koper, zink, mangaan; zie ook http://www.woc.science.ru.nl//gui/tabellen/periodieksysteem.html). Honderden van deze verbindingen zijn magnetisch en evenzoveel materialen zijn ferro-elektrisch.

Magneten hebben twee belangrijke eigenschappen waardoor ze zoveel toegepast worden. Ten eerste hebben deze materialen een zogeheten spontaan magnetisch moment: een noord- en een zuidpool. Deze kunnen door een magnetisch veld worden gericht en in de aanwezigheid van een elektrische stroom kunnen dan de magnetische veldlijnen worden geconcentreerd. De werking van de transformator is op dit principe gebaseerd. Ten tweede kan het magnetisme zich richten naar een extern magnetisch veld. Hierdoor zijn deze materialen geschikt voor de opslag van data.

Ferro-elektrische materialen worden zo genoemd omdat hun elektrische eigenschappen lijken op de magnetische eigenschappen van materialen die ijzer bevatten. Zo hebben ferro-elektrische materialen een spontane elektrische plus- en minpool, die gestuurd kunnen worden door een extern elektrisch veld. Ferro-elektrische materialen worden onder andere gebruikt om condensatoren te maken. Een alledaagse toepassing is het piëzo-elektrisch elementje in de gasaansteker in de keuken.

Combinatie
Materialen die zowel magnetisch zijn als ferro-elektrisch, zijn vanuit technologisch gezichtspunt zeer interessant. Niet alleen vertonen ze de eigenschappen die hiervoor genoemd zijn, ook kan een magnetisch veld de elektrische eigenschappen van het materiaal beïnvloeden en omgekeerd. Dit levert een scala aan nieuwe toepassingen op voor ferro-elektrische materialen. Bovendien is de achterliggende fysica fascinerend. Een voor de hand liggende toepassing is in ferro-elektrische geheugens. Philips werkt daar bijvoorbeeld aan. Dergelijke geheugens kunnen snel worden gelezen en geschreven en ze blijven hun informatie behouden, ook wanneer er geen bronspanning is. Verder zijn ze stralingshard, dus aantrekkelijk voor toepassingen in de ruimtevaart of in deeltjesversnellers. Het nadeel is dat dergelijke geheugens relatief groot zullen zijn en naar verwachting duur. Ze zullen dus aantrekkelijk zijn voor zeer specifieke doeleinden.

Hoewel er geen natuurkundewetten lijken te zijn die de combinatie van magnetisme en ferro-elektriciteit in één enkel materiaal verbieden, zijn onderzoekers er tot nu toe niet in geslaagd om een materiaal met beide eigenschappen te maken. Onderzoek heeft laten zien dat bindingen tussen atomen die ferro-elektriciteit bevorderen, magnetisme tegengaan. Factoren die magnetisme stimuleren werken ferro-elektriciteit tegen.

Onderzoekers zijn er wel al in geslaagd om ferro-elektrische magneten te maken door een magnetisch en een ferro-elektrisch materiaal te combineren. Het resultaat was inderdaad een composiet waarin beide eigenschappen onafhankelijk van elkaar aanwezig zijn.

Nieuwe methode
De Nederlandse en Duitse onderzoekers hebben nu een nieuwe methode gevonden om ferro-elektrische magneten te maken. Ze gebruiken hier kristallen van overgangsmetaaloxiden met een zogeheten perovskietstructuur voor. In zo'n structuur bevinden zich rondom het overgangsmetaalion zes zuurstofatomen. Die vormen samen een octaheder (twee piramides met hun grondvlakken tegen elkaar). Dit geheel bevindt zich in een kubus met op de hoekpunten acht atomen van een ander element (zie figuur 1).

De onderzoekers keken naar mangaanoxides die ze 'vervuilden' met atomen calcium en lanthaan of praseodymium. De crux is nu de ordening in deze kristallen van magnetisme, elektrische lading en orbitalen (de banen van de buitenste elektronen van de atomen). In deze klasse van materialen kan dat op verschillende manieren. Lading en orbitalen kunnen in het kristal verdeeld zijn over de afzonderlijke atomen. De onderzoekers noemen dit een verdeling geconcentreerd op plaats. De mangaanionen krijgen dan een bepaalde lading. Lading en de orbitalen kunnen echter ook verdeeld zijn over de bindingen tussen de atomen. Of lading en orbitalen verdeeld zijn per plaats of over de bindingen blijkt af te hangen van de hoeveelheid 'vervuilers' in het materiaal.

klik op het plaatje voor een grotere afbeelding

Figuur 2. Wanneer de elektrische lading zich tegelijkertijd verdeelt over zowel de mangaanatomen (A) als over de bindingen tussen de atomen (B), dan ontstaat in principe een ferro-elektrische magneet (C). Illustratie Jeroen van den Brink

Resultaten
Aan deze twee mogelijkheden hebben de onderzoekers nu gerekend. Op basis van de uitkomsten concluderen ze dat de bestaande modellen perovskieten te simpel voorstellen. In een perovskiet blijken verdelingen van lading en orbitalen over de atomen en over de bindingen naast elkaar voor te kunnen komen (zie figuur 2). Er is dus een derde type verdeling die een combinatie is van de beide andere. Hiermee hebben de onderzoekers een nieuw mechanisme voor ferro-elektrische magneten ontdekt. Hun theoretische werk zal nu moeten worden bevestigd door waarnemingen. Groepen in Leiden en de Verenigde Staten zijn aan het onderzoeken of deze perovskieten (mangaanoxide-verbindingen) ook in werkelijkheid ferro-elektrische magneten zijn.

Meer informatie bij dr. Jeroen van den Brink, Instituut-Lorentz, Universiteit Leiden, (071) 527 55 10.

De elektronische versies van de illustraties kunnen worden opgevraagd bij Huub Eggen, Afdeling Voorlichting, Stichting FOM, telefoon (030) 600 12 08.

 naar boven