Efeitos da criomoagem nas propriedades estruturais, microestruturais, magnéticas e ferroelétricas de nanopartículas do composto BiFeO3

Abstract

Resumo: No presente trabalho, foram sintetizadas amostras de BiFeO? por meio do método de criomoagem em moinho de altas energias com esferas de 10 e 5 mm. As caracterizações estruturais revelaram que o processo é capaz de induzir altos índices de microdeformações nas partículas (? 1%), além de uma drástica redução no tamanho médio de cristalito (? 30 nm), atribuída aos processos de quebra provocados pelo choque entre as esferas e as partículas para ambos os diâmetros de esferas após 17,5 h de criomoagem. A microestrutura revela agregados formados por nanopartículas para tempos menores (2,5 h de criomoagem) com esferas e uma estrutura mais compacta provocada pelas deformações para tempos maiores. As medidas magnéticas mostram uma grande mudança de comportamento magnético para ambos os diâmetros de esferas e também um considerável aumento dos valores de magnetização a um campo magnético de 15 kOe de 0,101 para 0,432 emu/g após 10 h de criomoagem com esferas de 10 mm e de 0,101 para 0,435 logo após 2,5 h de moagem, além de um aumento nos valores de magnetização remanescente. As mudanças nas respostas magnéticas foram atribuídas a uma combinação entre altos valores de microdeformações e pequeno tamanho de cristalitos, provocando a quebra da cicloide de spins. Por fim, medidas de microscopia de força Kelvin e de piezoresposta comprovaram o caráter ferroelétrico das partículas por meio da inversão da polarização.

Abstract: In the present work, BiFeO? samples were synthesized using the cryomilling technique with 10 and 5 mm balls. Structural characterization revealed that the process is capable of inducing high levels of microstrain (? 1%), along with a drastic reduction in the average crystallite size (? 30 nm). These effects were attributed to fracture processes caused by the collisions between the balls and the particles for both ball diameters after 17.5 h of cryomilling. The microstructure exhibits aggregates formed by nanoparticles for shorter milling times (2.5 h) and a more compact structure caused by deformation at longer milling times. Magnetic measurements show a substantial change in magnetic behavior for both ball diameters, as well as a significant increase in magnetization values at a magnetic field of 15 kOe: from 0.101 to 0.432 emu/g after 10 h of cryomilling with 10 mm balls, and from 0.101 to 0.435 after only 2.5 h of cryomilling. An increase in remanent magnetization was also observed. These changes in magnetic response were attributed to a combination of high microstrain levels and small crystallite size, which led to the breakdown of the spin cycloid. Finally, Kelvin probe force microscopy and piezoresponse force microscopy measurements confirmed the ferroelectric nature of the particles through polarization reversal.