Microscopic modeling of multiferroic bulk systems, thin films and nanostructures

Abstract

Multiferroika, definiert als Materialien mit mindestens zwei koexistierenden ferroischen Ordnungen, haben zu einer enormen Forschungsaktivität angeregt. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die analytische Beschreibung multiferroischer Materialien in Bulksystemen, dünnen Filmen und Nanostrukturen. Während das magnetische Subsystem durch den Heisenberg-Hamiltonian beschrieben wird, ist das ferroelektrische System durch das Ising Modell im transversalen Feld charakterisiert. Der magnetoelektrische Effekt wird durch eine Symmetrie-erlaubte Kopplung eingeführt. Die Verwendung von temperaturabhängigen Greeen’schen Funktionen erlaubt die Berechnung der Elementaranregungen, deren Dämpfung ebenso wie die Bestimmung der Magnetisierung und der Polarisation. Der ferroelektrische Übergang äußert sich durch einen Kink in der Magnetisierung als Funktion der Temperatur. Weiterhin haben wir den Einfluss äußerer Felder, der Spin-Phonon-Kopplung und von Dotierungen betrachtet. Die Phonon-Moden werden im Detail studiert. Wir schlagen ein analytisches Modell zur Beschreibung des multiferroischen Verhaltes in Systemen mit einer magnetischen Zig-Zag-Struktur vor. Außerdem offerieren wir einen Mechanismus, der das multiferoische Verhalten von BTO auf der Nanoskala erklärt. Die Ergebnisse sind in Übereinstimmung mit experimentellen Beobachtungen.

Multiferroics, defined as materials with at least two coexisting ferroic orders, have attracted enormous research activities. The main objective of this thesis is the analytical description of multiferroic materials in bulk systems, thin films and nanostructures. Whereas the magnetic subsystem is described by the Heisenberg model the ferroelectric part is characterized by the transverse Ising model. The magnetoelectric effect is introduced by a symmetry allowed coupling. Using temperature dependent Green’s function we get the elementary excitations, their damping as well as the magnetization and the polarization. The ferroelectric transition is manifested as a kink in the magnetization as function of T. Moreover, we consider the influence of external fields, the spin-phonon coupling and doping effects. The phonon modes are studied in detail. We propose an analytical model for describing the multiferroic behavior in systems with a magnetic zig-zag structure. Furthermore, we offer a mechanism explaining the multiferroic behavior of nano-sized BTO-material. The results are in agreement with experimental observations.