Propiedades magnéticas y ferroeléctricas de nanocompuestos con estructura perovskita La1-xSrxMnO3 y Pb(ZrxTi1-x)O3: Simulación Monte Carlo

En el presente trabajo de tesis doctoral se muestran los resultados de simulaciones computacionales, desarrolladas empleando el método de Monte Carlo junto con el algoritmo Metrópolis y el modelo de Heisenberg, con el fin de estudiar propiedades asociadas al ferromagnetismo y la ferroelectricidad en bicapas multiferroicas constituidas por materiales tipo perovskita, en subsistemas de naturaleza ferroeléctrica y ferromagnética con acople magnetoeléctrico. Para empezar, se identificó dentro de la familia de las manganitas el compuesto 〖La〗_(1-x) 〖Sr〗_x MnO3 (LSMO) como un material ferromagnético de interés,dada su alta polarización magnética, su elevada temperatura crítica, sus conocidas propiedades magnetostrictivas y un variado diagrama de fases directamente relacionado con la composición x. Así mismo, se escogió para su estudio el material Pb(〖Zr〗_x 〖Ti〗_(1-x))O3 (PZT) por sus bondades como material ferroeléctrico; esto es, su alta temperatura crítica, polarización espontánea y coeficiente piezoeléctrico. Lo anterior, teniendo en cuenta además, los reportes experimentales sobre bicapas de estos mismos compuestos, en los cuales se evidenciaba un acople magnetoeléctrico significativo entre ambos. En una segunda instancia, se determinaron valores para las constantes de intercambio magnético y de interacción entre dipolos eléctricos que reprodujeran el comportamiento de la temperatura crítica en cada bicapa para un nivel de dopaje de x=1/3 y x=0.5 para el LSMO y el PZT respectivamente. De igual forma, se estudió el efecto sobre las simulaciones, de los distintos parámetros del modelo, ajustándolos a valores para los cuales se recrearan las características magnéticas y eléctricas esenciales de los dos compuestos. Tanto en el caso de la capa FM como el de la capa ferroeléctrica (FE), se realizaron estudios de propiedades magnéticas y eléctricas en función de la temperatura, como magnetización y polarización por sitio de red, susceptibilidad magnética y eléctrica. Igualmente, se analizó el comportamiento de la capa ferromagnética (FM) al variar el campo magnético y de la capa magnética al variar el campo eléctrico, teniendo en cuenta además, el efecto de una deformación de las películas por la aplicación de un esfuerzo perpendicular a las mismas. Se analizaron ciclos de histéresis variando la temperatura y el espesor de las capas. Adicionalmente, se estudió el comportamiento de la resistividad de la capa magnética variando el campo magnético, la temperatura, la deformación y el espesor de las películas. Finalmente, se estudiaron las bicapas de los sistemas magnético y eléctrico, analizando su respuesta a variaciones en temperatura, campo eléctrico, campo magnético, deformación por presión uniaxial y espesor. Se encontró como el modelo, predice en forma apropiada, el efecto magnetoeléctrico por transferencia de carga hacia la interfase presente en bicapas de estos materiales y su correspondiente efecto magnetorresistivo. De igual forma, se determinó como este efecto magnetoeléctrico es apreciable tanto a bajas temperaturas como a temperaturas cercanas a la temperatura crítica del material magnético, abriendo la posibilidad hacia potenciales aplicaciones en dispositivos espintrónicos. Las simulaciones se llevaron a cabo empleando el lenguaje FORTRAN95. Los resultados obtenidos fueron comparados con diversos reportes de la literatura, con el fin de validar los modelos y los algoritmos propuestosAbstract : In this PhD thesis document, results of computational simulations by using the Monte Carlo method, the Metropolis algorithm and classical Heisenberg method are presented, in order to study properties associated with ferromagnetism and ferroelectricity on multiferroic bilayers of perovskite materials, made of electric and magnetic subsystems with a magnetoelectric coupling. First of all, it was identified the 〖La〗_(1-x) 〖Sr〗_x MnO3 (LSMO) among the manganite family, as a ferromagnetic compound of interest due to its high critical temperature and magnetic polarization, its known magnetostrictive properties and its remarkable phase diagram variety, directly related to the x composition. Similarly, the Pb(〖Zr〗_x 〖Ti〗_(1-x))O3 (PZT) material was selected for study because of its excellent performance as a ferroelectric, that is, a high critical temperature, spontaneous polarization and piezoelectric coefficient. Experimental reports on bilayers of these two compounds evidencing a significant magnetoelectric coupling were also considered. Later, exchange parameters for magnetic and polarized electric sites were obtained reproducing the critical temperature of each layer for a doping level of x=1/3 y x=0.5 of LSMO and PZT respectively. The effect of the different system parameters of the model on the simulation was also considered, adjusting them to the values that reproduced the magnetic and electric main characteristics of the two materials. Studies of magnetic and electric properties depending on temperature, such as, magnetization and polarization, electric and magnetic susceptibility on both ferroelectric (FE) and ferromagnetic (FM) layers were carried out. Similarly, the behavior of the ferromagnetic layer when varying the magnetic field was done, also considering the effect of a perpendicular compressive stress on the thin films. Hysteresis cycles were analyzed in function of temperature and film thickness. Additionally, a study of resistivity by varying the magnetic field, temperature and thickness was carried out. Finally, bilayers of magnetic and electric subsystems were studied, considering their response to changes in magnetic and electric fields, temperature, pressure, and film thickness. It was found, that the model appropriately reproduces the magnetoelectric effect by charge transfer accumulation at the interfase present in these kind of heterostructures. It was also determined how this magnetoelectric effect is significant not also at low temperatures but also at temperatures near the Curie temperature of the magnetic material, opening in this way possibilities to potential applications in spintronic devices. Simulations were carried out by using the FORTRAN95 language. Results were compared with several reports in order to validate the models and algorithms proposedDoctorad