Вісник Львівського університету. Серія фізична 60 (2023) с. 166-182
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.60.2023.166

Магнітоелектричний ефект у сегнетоелектрику NH2(CH3)2Ga0.935Cr0.065(SO4)2\times6H2O

В. Капустяник, Ю. Еліяшевський, У. Мостовой, Ю. Чорній

Стаття присвячена вивченню сегнетоелектричних і магнітних властивостей і магнітоелектричних взаємодій у твердому розчині NH2(CH3)2Ga0,935Cr0,065(SO4)2\times6H2O (DMAGa0,935Cr0,065S). Проведені дослідження засвідчили наявність сегнетоелектричного фазового переходу, зумовленого складним механізмом впорядкуванням різних диметиламонієвих катіонів, що володіють дипольним моментом. У парамагнітній і одночасно сегнетоелектричній фазі кристала DMAGa0,935Cr0,065S виявлений помітний магнітоелектричний ефект, який полягає у зниженні поляризації під впливом магнітного поля, і найбільший серед органічно-неорганічних фероїків магнітодіелектричний ефект. Запропоновано модель для опису цих ефектів.

Текст статті (pdf)

Список посилань
  1. Kapustianyk V. Multiferroicity and hydrogen-bond ordering in (C2H5NH3)2CuCl4 featuring dominant ferromagnetic interactions / B. Kundys, A. Lappas, M. Viret, V. Kapustianyk, V. Rudyk, S. Semak, Ch. Simon, I. Bakaimi // Phys. Rev. B. –- 2010. –- V. 81. –- P. 224434. doi: 10.1103/PhysRevB.81.224434.
  2. Di Sante D. Tuning the ferroelectric polarization in a multiferroic metal–organic framework / D. Di Sante, A. Stroppa, P. Jain, S. Picozzi // J. Am. Chem. Soc. -- 2013. -- V. 135. -- P. 18126–18130. doi: 10.1021/ja408283a.
  3. Huang B. Importing spontaneous polarization into a Heisenberg ferromagnet for a potential single-phase multiferroic / B. Huang, B. Y. Wang, Z. Y. Du, W. Xue, W. J. Xu, Y. J. Su, W. X. Zhang, M. H. Zeng, X. M Chen // J. Mater. Chem. C -- 2016. -- V. 4. -- P. 8704–8710. doi: 10.1039/C6TC02715F.
  4. Hill N. A. Why are there so few magnetic ferroelectrics? / N. A. Hill // J. Phys. Chem. B. -- 2000. -- V. 104. -- P. 6694–6709. doi: 10.1021/jp000114x.
  5. Tokura Y. Dynamical magnetoelectric effects in multiferroic oxides / Y. Tokura, N. Kida // Philos. Trans. R. Soc. Lond. Math. Phys. Eng. Sci. -- 2011. -- V. 369. -- P. 3679–3694. doi: 10.1098/rsta.2011.0150.
  6. Eerenstein W. Multiferroic and magnetoelectric materials / W. Eerenstein, N. D. Mathur, J. F. Scott // Nature. -- 2006. -- V. 442. -- P. 759–765. doi: 10.1038/nature05023.
  7. Singh K. Effect of coupled ferroelectric and antiferromagnetic fluctuations on dielectric anomalies in spin induced multiferroics / K. Singh, B. Kundys, M. Poienar, C. Simon // J. Phys. Condens. Matter. -- 2010. -- V. 22. -- P. 445901. doi: 10.1088/0953-8984/22/44/445901.
  8. Wang W. Magnetoelectric coupling in the paramagnetic state of a metal-organic framework / W. Wang, L.-Q. Yan, J.-Z. Cong, Y.-L. Zhao, F. Wang, S.-P. Shen, T. Zou, D. Zhang, S.-G. Wang, X.-F. Han, Y. Sun // Sci. Rep. -- 2013. -- V. 3. -- P. 2024. doi: 10.1038/srep02024.
  9. Cui H. Ferroelectric porous molecular crystal, [Mn3(HCOO)6](C2H5OH), exhibiting ferrimagnetic transition / H. Cui, Z. Wang, K. Takahashi, Y. Okano, H. Kobayashi, A. Kobayashi // J. Am. Chem. Soc. -- 2006. -- V. 128. -- P. 15074–15075. doi: 10.1021/ja0665390.
  10. Jain P. Multiferroic behavior associated with an order-disorder hydrogen bonding transition in metal-organic frameworks (MOFs) with the perovskite ABX3 architecture / P. Jain, V. Ramachandran, R. J. Clark, H. D. Zhou, B. H. Toby, N. S. Dalal, H. W. Kroto, A. K. Cheetham // J. Am. Chem. Soc. -- 2009. -- V. 131. -- P.13625–13627. doi: 10.1021/ja904156s.
  11. Fu D.-W. A multiferroic perdeutero metal–organic framework / D.-W. Fu, W. Zhang, H.-L. Cai, Y. Zhang, J.-Z. Ge, R.-G. Xiong, S. D. Huang, T. Nakamura // Angew. Chem. Int. Ed. -- 2011. -- V. 50. -- P. 11947–11951. doi: 10.1002/anie.201103265.
  12. Tian Y. Cross coupling between electric and magnetic orders in a multiferroic metal-organic framework / Y. Tian, A. Stroppa, Y. Chai, L. Yan, S. Wang, P. Barone, S. Picozzi, Y. Sun // Sci. Rep. -- 2014. -- V. 4. -- P. 6062. doi: 10.1038/srep06062.
  13. Gomez-Aguirre L. C. Magnetic ordering-induced multiferroic behavior in [CH3NH3][Co(HCOO)3 metal–organic framework/ L. Claudia Gomez-Aguirre, B. Pato-Doldan, J. Mira, S. Castro-Garcia, M. A. Senaris-Rodriguez, M. Sanchez-Andujar, J. Singleton, V. S. Zapf // J. Am. Chem. Soc. -- 2016. -- V. 138. -- P. 1122–1125. doi: 10.1021/jacs.5b11688.
  14. Li P.-F. Unprecedented ferroelectric–antiferroelectric–paraelectric phase transitions discovered in an organic–inorganic hybrid perovskite / P.-F. Li, W.-Q. Liao, \mbox{Y.-Y. Tang}, H.-Y. Ye, Y. Zhang, R.-G. Xiong // J. Am. Chem. Soc. -- 2017. -- V. 139. -- P. 8752–8757. doi: 10.1021/jacs.7b04693.
  15. Ramesh R. Materials science: Emerging routes to multiferroics / R. Ramesh // Nature – 2009. – V. 461. – P. 1218. doi: 10.1038/4611218a.
  16. Saparov B. Organic–inorganic perovskites: Structural versatility for functional materials Design / B. Saparov, D. B. Mitzi // Chem. Rev. -- 2016. -- V. 116. -- P. 4558–4596. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00715.
  17. Li W. Chemically diverse and multifunctional hybrid organic–inorganic perovskites / W. Li, Z. Wang, F. Deschler, S. Gao, R. H. Friend, A. K. Cheetham // Nat. Rev. Mater. -- 2017. -- V. 2. -- P. 201699. doi: 10.1038/natrevmats.2016.99.
  18. Kapustianyk V. Tuning a Sign of Magnetoelectric Coupling in Paramagnetic NH2(CH3)2Al1-xCrx(SO4)2\times6H2O Crystals by Metal Ion Substitution / \mbox{V. Kapustianyk}, Yu. Eliyashevskyy, Z. Czapla, V. Rudyk, R. Serkiz, N. Ostapenko, I. Hirnyk, J-F. Dayen, M. Bobnar, R. Gumeniuk, B. Kundys // Sci. Rep. – 2017. – V. 7. – P. 14109 (8 p.). doi: 10.1038/s41598-017-14388-8.
  19. Kirpichnikova L. F. Ferroelectricity in the dimethylamin-aluminiumsulphate crystal / L. F. Kirpichnikova, L. A. Shuvalov, N. R. Ivanov , B. N. Prasolov, E. F. Andreyev // Ferroelectrics. – 1989. – V. 96. – P. 313–317. doi: 10.1080/00150198908216791.
  20. Kapustianik V. Anomalous dielectric behaviour of NH2(CH3)2Al(SO4)2\times6H2O crystals in the ferroelectric phase / V. Kapustianik, M. Fally, H. Kabelka, H. Warhanek // J. Phys. Condens. Matter – 1997. – V. 9. – P. 723. doi: 10.1088/0953-8984/9/3/012.
  21. Volkel G. Local order-disorder behaviour in Cr3+-doped dimethylammonium aluminium sulphate hexahydrate (DMAAS) studied by electron paramagnetic resonance / G. Volkel, R. Bottcher, D. Michel, Z. Czapla, J. Banys // J. Phys. Condens. Matter – 2000. – V. 12. – P. 4553. doi: 10.1088/0953-8984/12/21/302.
  22. Kapustianik V. Dielectric and spectral properties of DMAAS ferroelectric crystals doped with chromium / V. Kapustianik, Z. Czapla, R. Tchukvinskyi, A. Batiuk, Yu. Eliyachevskyy, Yu. Korchak, and V. Rudyk // Phys. Stat. Solidi A – 2004. – V. 201. – P. 139–147. doi: 10.1002/pssa.200306717.
  23. Zhang W. Ferroelectric metal–organic frameworks / W. Zhang, R.-G. Xiong // Chem. Rev. -- 2012. -- V. 112. -- P. 1163–1195. doi: 10.1021/cr200174w.
  24. Kapustianyk V. Phase transitions and fundamental ferroelectric dispersion in DMAAl1-xCrxS crystals / V. Kapustianyk, Yu. Eliyashevskyy, Z. Czapla, S. Dacko, O. Czupinski, V. Rudyk, R. Serkiz, S. Sereda, S. Semak // Acta Phys. Pol. A. – 2015. – V. 127. – P. 791–794. doi: 10.12693/APhysPolA.127.791.
  25. Mon M. Postsynthetic approach for the rational design of chiral ferroelectric metal–organic frameworks / M. Mon, J. Ferrando-Soria, M. Verdaguer, C. Train, C. Paillard, B. Dkhil, C. Versace, R. Bruno, D. Armentano, E. Pardo // J. Am. Chem. Soc. -- 2017. -- V. 139. -- P. 8098–8101. doi: 10.1021/jacs.7b03633.
  26. Xu W.-J. A molecular perovskite with switchable coordination bonds for high-temperature multiaxial ferroelectric / W.-J. Xu, P.-F. Li, Y.-Y. Tang, W.-X. Zhang, R.-G. Xiong, X.-M. Chen // J. Am. Chem. Soc. -- 2017. -- V. 139. -- P. 6369–6375. doi: 10.1021/jacs.7b01334.
  27. Zhang W.-Y. Optoelectronic duple bistable switches: A bulk molecular single crystal and unidirectional ultraflexible thin film based on imidazolium fluorochromate / \mbox{W.-Y. Zhang}, Q. Ye, D.-W. Fu, R.-G. Xiong // Adv. Funct. Mater. -- 2017. -- V. 27. -- P. 1603945–1603953. doi: 10.1002/adfm.201603945.
  28. Kapustianyk V. On the Magnetoelectric Effect in Paramagnetic NH2(CH3)2Al1-xCrx(SO4)2\times6H2O Crystals / V. Kapustianyk, N. Loboda, Yu. Eliyashevskyy, S. Semak // Low Temp. Phys. – 2019. – V. 45, No. 8. – P. 1045–1052. doi: 10.1063/1.5116538.
  29. Pietraszko A. Crystal structures of (CH3)2NH2Al(SO4)2\times6H2O, (CD3)2ND2Al(SO4)2\times6H2O and (CH3)2NH2Ga(SO4)2\times6H2O / A. Pietraszko, K Lukaszewicz, L. F. Kirpichnikova // Acta Cryst. A. -- 1993. -- V. 49. -- P. 253–253.
  30. Андреев Е. Ф. Фазовые переходы в кристалле диметиламмоний-галлийсульфата / Е. Ф. Андреев, В. М. Варикаш, Л. А. Шувалов // Изв. АН СССР, Серия. Физ. – 1991. – Т. 55, № 3. – С. 572–574.
  31. Kapustianyk V. The Effect of Metal Ion Substitution on the Dielectric Dispersion in NH2(CH3)2Ga1-xCrx(SO4)2\times6H2O Crystals / V. Kapustianyk, S. Semak, Yu. Eliyashevskyy, S. Sereda // Journ. of Phys. Stud. – 2019. – V. 23, No. 3. – P. 3706. doi: 10.30970/jps.23.3706.
  32. Kapustianyk V. Chromium doped NH2(CH3)2Ga(SO4)2\times6H2O crystal – representative of a new family of magnetoelectric materials / V. Kapustianyk, Yu. Eliyashevskyy, A. Feher, R. Tarasenko, V. Tkac, U. Mostovoi // Mater. Res. Express. – 2022. – V.9. – P. 116301--116311. doi: 10.1088/2053-1591/ac95ff.
  33. Shannon R. D. Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides / R. D. Shannon // Acta Crystallogr. A. – 1976. – V. 32. – P. 751–767. doi: 10.1107/S0567739476001551.
  34. Kapustianyk V. Magnetodielectric Effect in a New Multiferroic Crystals of Tetraethylammonium Tetrahalogenocobaltate / V. Kapustianyk, S. Semak, P. Yonak, B. Kundys, Yu. Chornii // Proceedings of XIth International Scientific and Practical Conference on Electronics and Information Technologies (ELIT-2019), September 16--18, Lviv, Ukraine, 2019. – P. 268–271. doi: 10.1109/ELIT.2019.8892340.
  35. Hou S. L. Paramagnetoelectric effects in NiSO4\times6H2O / S. L. Hou, N. Bloembergen // Phys. Rev. – 1965. – V. 138. – P. A1218. doi: 10.1103/PhysRev.138.A1218.
  36. Ponomarev B. K. Magnetoelectrical effect in paramagnetic rare-earth molybdates / B. K. Ponomarev, S. A. Ivanov, B. S. Red’kin, V. N. Kurlov // Physica B – 1992. – V. 177. – P. 327. doi: 10.1016/0921-4526(92)90124-B.
  37. Thomson R. I. Elastic relaxation behavior, magnetoelastic coupling, and order-disorder processes in multiferroic metal-organic frameworks / R. I. Thomson, P. Jain, A. K. Cheetham, M. A. Carpenter // Phys. Rev. B. – 2012. – V. 86. – P. 214304. doi: 10.1103/PhysRevB.86.214304.
  38. Stasyuk I. V. Microscopic Model of Phase Transition in the Crystals of DMAAlS and DMAGaS Type / I. V. Stasyuk, O. V. Velychko // Journ. of Phys. Stud. – 2000. – V. 4. – P. 92–99. doi: 10.30970/jps.04.92.
  39. Kapustianyk V. Comparative Study of Ferroelectric Properties of DMAMe1-xCrxS (Me=Al, Ga) Crystals / V. Kapustianyk, Z. Czapla, S. Dacko, V. Rudyk, N. Ostapenko // Ferroelectrics – 2017. – V. 510. – P. 80–86. doi: 10.1080/00150193.2017.1327291.