Ein Forschungsteam der Tokyo University of Science hat bedeutende Fortschritte im Bereich neuartiger multiferroischer Materialien erzielt, die die Entwicklung von Speichergeräten der nächsten Generation mit geringem Energieverbrauch vorantreiben könnten. Multiferroische Materialien vereinen die Ladungsspeicherfähigkeit von Kondensatoren mit magnetischen Eigenschaften, wobei Bismutferrit eines der am intensivsten untersuchten Materialien ist. Bei Anlegen einer externen Spannung kann seine elektrische Polarisationsrichtung umgekehrt werden und den Magnetismus beeinflussen. Diese einzigartige Kopplung macht es zu einem idealen Kandidaten für energiesparende Speichermaterialien. Die Forschungsergebnisse wurden im „Journal of the American Chemical Society“ veröffentlicht.
Herausforderung bei herkömmlichem Bismutferrit: Die mikroskopischen Magnete, die durch die inneren Eisenionen gebildet werden, rotieren in einem wellenförmigen Muster, was dazu führt, dass sich die magnetischen Momente gegenseitig aufheben und ein Gesamtmagnetismus von außen schwer zu beobachten ist. Frühere Studien zeigten, dass der Ersatz eines Teils des Eisens durch Kobalt bei Raumtemperatur einen schwachen Magnetismus erzeugen kann, dieser jedoch nach wie vor schwach und störungsanfällig ist. Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat das von Professor Masaki Azuma geleitete Forschungsteam die Strategie des Elementersatzes neu bewertet. Unter Anleitung experimenteller Ergebnisse und theoretischer Vorhersagen wählte es schwerere Elemente wie Ruthenium und Iridium zum Ersatz eines Teils des Eisens, während gleichzeitig Calciumionen einen Teil der Bismutionen ersetzen, um die Ladungsbilanz aufrechtzuerhalten.
Durch sorgfältiges Design zeigen die winzigen Magnete im Material nun einen klaren magnetischen Zustand, der von außen detektiert werden kann. Die magnetische Stabilität der Materialien mit Ruthenium oder Iridium ist etwa viermal höher als bei früheren Materialien mit Kobaltersatz. Diese Stabilität ist entscheidend für Speichergeräte der nächsten Generation, die Informationen über längere Zeit zuverlässig speichern müssen. Die Forscher entdeckten zudem eine unerwartete Eigenschaft: Dieses Material zieht sich beim Erhitzen leicht zusammen, ein Phänomen, das als negative thermische Ausdehnung bekannt ist und sich von herkömmlichen Materialien unterscheidet. Diese Eigenschaft könnte in Präzisionsinstrumenten eine wichtige Rolle spielen, um durch Temperaturschwankungen verursachte Verformungen und Leistungsverschlechterungen zu unterdrücken.
Professor Masaki Azuma erklärte, dass sich die Materialeigenschaften stark verändern, je nachdem, wie die Zusammensetzungselemente ersetzt werden. Ein sorgfältig auf Vorhersagen basierendes Design der Elementkombination sei ebenso wichtig wie die Erkenntnis unerwarteter Ergebnisse. Diese Entdeckungen eröffnen neue Möglichkeiten für Speichergeräte, die Informationen mittels Spannung schreiben und durch Magnetfelder lesen, und könnten so zu energiesparenden, hocheffizienten Speichergeräten führen. Das Forschungsteam hat sich zuvor der Entwicklung und Kommerzialisierung von Materialien mit negativer thermischer Ausdehnung gewidmet und hofft, dass dieses neu gestaltete Material in Zukunft auch praktische Anwendung finden wird.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Kano Hatayama et al., Titel: „Realization of Canted-Spin Weak Ferromagnetism and Negative Thermal Expansion in A- and B-Site-Substituted Bismuth Ferrite“, veröffentlicht in: „Journal of the American Chemical Society“ (2025). Zeitschrifteninformation: „Journal of the American Chemical Society“
