[論文レビュー] A-Site Cation disorder and Size variance effects on the physical properties of multiferroic Bi0.9RE0.1FeO3 Ceramics (RE =Gd3+,Tb3+,Dy3+)

T. Karthik, T. Durga Rao+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2012

Multiferroics and related materials参考文献 1被引用数 15

ひとこと要約

本研究は、Gd³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺ドーピングによるAサイトカチオンの不規則性およびイオン半径のばらつきが、Bi0.9RE0.1FeO3セラミックスの構造的、光学的、磁気的、電気的性質に与える影響を調査する。構造的相分離、FeO6八面体の不安定化、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用による弱い強磁性の強化、および内部化学的圧力に起因するキャリア密度の低下が明らかになった。

ABSTRACT

Effect of an internal chemical pressure on structural, optical, magnetic and electrical properties in Bi0.9RE0.1FeO3 Ceramics (RE =Gd3+,Tb3+,Dy3+)has been studied extensively. Some of the highlights are as follows; 1. Coexistence of orthorhombic Bragg reflections along with the R3c phase.(Structural Phase separation revealed from XRD and Raman spectroscopy) 2. Selective softening of phonon mode corresponding to oxygen motion suggests a significant destabilization in the FeO6 octahedra. 3. Three Charge transfer transitions (Fe1 3d ightarrow Fe2 3d, Op ightarrow Fed,Op ightarrow Bip) and a doubly degenerate d-d transition (6A1g ightarrow 4T2g) have been observed through optical studies. 4. The suppression of spiral spin structure release the macroscopic magnetization so called weak ferromagnetism in RE-BFO samples and expalined by presence of DM interaction 5. Heat flow measurement reveals a decrease in Neel transition temperature (TN) with RE3+-ion substitution endorses the suppression of antiferromagnetic ordering. Present results also provide an 6. A decrease in vacant sites was confirmed from the lower density of states N(Ef) of charge carriers in RE-BFO samples, further it also correlates well with the hopping length (Rmin) and conductivity studies. All the results are well correlated.

研究の動機と目的

• 多フェロイックなBi0.9RE0.1FeO3セラミックスの物理的性質に及ぼすAサイトカチオンの不規則性およびイオン半径のばらつきの影響を理解すること。
• ランタニドドーピング（Gd³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺）が内部化学的圧力を引き起こし、構造的、磁気的、電気的挙動に与える影響を調査すること。
• 構造的歪みと光学遷移、磁気的秩序、キャリアダイナミクスの変化との相関を明らかにすること。
• Dzyaloshinskii-Moriya相互作用が、これらの多フェロイック系で弱い強磁性を実現する役割を明確にすること。
• ランタニドイオン半径がNeél温度の抑制および不純物化学に与える影響を評価すること。

提案手法

• 構造的相分離および格子歪みを検出するためのX線回折（XRD）およびラマン分光法。
• ドーピングされたビスマスフェルル酸系における電荷移動およびd-d電子遷移を特定するための光学吸収分光法。
• ランタニド置換に伴うNeél温度（TN）の低下を評価するための熱フロー測定。
• フェルミ準位における状態密度（N(Ef)）および遷移長（Rmin）の分析により、キャリア濃度および伝導メカニズムを評価。
• 反強磁性のBiFeO3における弱い強磁性の出現を説明するためのDzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用理論の適用。
• Gd³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺の3種のランタニドドーパントにおける構造的および電子的応答を体系的に比較し、サイズおよび不規則性効果を分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RE3+ドーピングに起因するAサイトカチオンの不規則性およびイオン半径のばらつきが、Bi0.9RE0.1FeO3セラミックスの構造的相安定性にどのように影響するか？
• RQ2 内部化学的圧力がFeO6八面体の不安定化およびフォノンモードの変更に与える役割は何か？
• RQ3 光学スペクトルにおける電荷移動およびd-d遷移は、ランタニドドーピングに起因する電子構造の変化をどのように反映するか？
• RQ4 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用が、これらの多フェロイック系で観察された弱い強磁性にどの程度寄与しているか？
• RQ5 ランタニドイオン半径は、Bi0.9RE0.1FeO3におけるNeél温度の抑制およびキャリア濃度にどのように影響するか？

主な発見

• 正方晶のブラagg回折ピークとR3c相の共存は、XRDおよびラマン分光法により確認された構造的相分離を示している。
• 酸素関連フォノンモードの選択的軟化は、内部化学的圧力に起因するFeO6八面体の顕著な不安定化を示している。
• 光学的分析により、3つの電荷移動遷移（Fe1 3d → Fe2 3d、O p → Fe d、O p → Bi p）および二重 degenerate なd-d遷移（6A1g → 4T2g）が同定された。
• スパイラルスピン構造の抑制により、観察可能な弱い強磁性が生じ、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用の存在によって説明できる。
• 熱フロー測定により、RE3+ドーピングの増加に伴いNeél温度（TN）が低下することが確認され、反強磁性秩序の抑制が裏付けられた。
• フェルミ準位における状態密度（N(Ef)）の低下および遷移長（Rmin）の低減は、空孔サイトおよびキャリア濃度の減少を確認しており、導電率データと整合的である。