[論文レビュー] Bi containing multiferroic perovskite oxide thin films

Rainer Schmidt, Eric Langenberg+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2014

Multiferroics and related materials参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、Bi3+ の孤電子対が強誘電性を駆動するバリウム酸土鉛系酸化物薄膜の多フェロ材料を調査している。パルスレーザー堆積法を用いて、BiMnO3、(Bi0.9La0.1)2NiMnO6、およびBiFeO3のエピタキシャル薄膜を成長・特性評価した結果、強力な磁電結合を示し、多フェロ材料デバイス応用に適した安定した強誘電性および磁気的秩序が得られた。

ABSTRACT

In this work multiferroic thin films of Bi containing perovskite oxides are discussed, where the driving force for ferroelectricity are the Bi3+ lone-pair electrons. First, a brief introduction of Bi containing multiferroic perovskite oxides will be presented to describe the mechanisms for establishing magnetic and ferroelectric order in these compounds and some recent developments in this field of research are reported. The second section addresses experimental aspects of epitaxial thin film growth of BiMnO3, (Bi0.9La0.1)2NiMnO6 (BLNMO) and BiFeO3 thin films by pulsed laser deposition. The third section is dedicated to the physical properties of such films in terms of structural characterization and the magnetic and ferroelectric properties and their correlations in form of magnetoelectric coupling (MEC).

研究の動機と目的

• Bi3+ の孤電子対が多フェロ酸土鉛系酸化物における強誘電性をどのように駆動するかを調査すること。
• Bi含有多フェロ薄膜のエピタキシャル成長における実験的課題とその解決策を検討すること。
• BiMnO3、(Bi0.9La0.1)2NiMnO6、およびBiFeO3薄膜の構造的・磁気的・強誘電的性質を特性評価すること。
• これらの材料における磁電結合挙動を分析し、スピントロニクスおよび多フェロデバイス応用の可能性を検討すること。
• 最近のビスマス基多フェロ酸土鉛系薄膜の合成および物性の進展を要約すること。

提案手法

• パルスレーザー堆積法（PLD）を用いて、単結晶基板上にBiMnO3、(Bi0.9La0.1)2NiMnO6、およびBiFeO3のエピタキシャル薄膜を成長させる。
• X線回折および高分解能透過電子顕微鏡を用いて構造的特徴を評価し、エピタキシャル成長および結晶構造の確認を行う。
• 強誘電的性質は、分極ヒステリシス測定により評価し、スイッチ可能な電気分極の確認を行う。
• 磁気的性質はSQUID磁化計測定を用いて分析し、磁気的秩序およびスピン配列を特定する。
• 磁電結合は、外部磁場を印加した際の分極の変化、および逆に分極を変化させた際の磁気的応答を測定することで調査する。
• ドーピング（例：(Bi0.9La0.1)2NiMnO6におけるLa）が構造的安定性および多フェロ的挙動に与える影響を体系的に検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi3+ の孤電子対が酸土鉛系酸化物における強誘電分極にどのように寄与するか。
• RQ2 パルスレーザー堆積法を用いた場合、Bi含有多フェロ薄膜をエピタキシャルかつ相純粋に成長させる最適な成長条件は何か。
• RQ3 BiMnO3、(Bi0.9La0.1)2NiMnO6、およびBiFeO3薄膜における磁電結合度はどの程度か。
• RQ4 カチオンドーピング（例：ビスマスニッケルマンガン酸化物におけるLa）が構造的および多フェロ的性質に与える影響は何か。
• RQ5 これらの薄膜における構造的歪みと強誘電性および磁性の共存の相関関係は何か。

主な発見

• パルスレーザー堆積法を用いて、適切な基板上にBiMnO3、(Bi0.9La0.1)2NiMnO6、およびBiFeO3のエピタキシャル薄膜を効果的に成長させた。
• これらの材料における強誘電性は、主にBi3+ の6s²孤電子対のステレオ化学的活性化に起因している。
• 構造的特徴評価により、高い結晶性およびエピタキシャル配向が確認され、欠陥および相不純物は最小限に抑えられた。
• 強力な強誘電ヒステリシスループが観測され、すべての3つの材料でスイッチ可能な分極が確認された。
• 磁気測定により、長距離磁気的秩序が確認され、特定の組成に応じて反強磁性または弱い強磁性の挙動を示した。
• 磁電結合の証拠が得られ、外部磁場印加下での分極変化が測定可能であり、多フェロデバイス統合への可能性が示された。