[論文レビュー] Coexistence of spin glass and ferroelectricity in highly ordered Bi2FeMnO6 epitaxial thin film

Lin Sun, Yue‐Wen Fang+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2015

Multiferroics and related materials被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、シンクロトロンX線回折（XRD）および高分解能透過電子顕微鏡（HRTEM）を用いて[111]方向にFe-Mnの秩序が確認された、SrTiO3基板上に高秩序なBi2FeMnO6エpitaxial薄膜の成長に成功した。フェリマグネティズムの予測とは対照的に、薄膜は弱い磁性を示しスピンガラス行動を示したが、第一原理計算により、強誘電性歪みと反強磁性交換相互作用が結合することでスピンフラストレーションが生じることが明らかになった。

ABSTRACT

Highly ordered Bi2FeMnO6 epitaxial thin films have been successfully grown on SrTiO3 substrate. Both synchrotron X-ray reciprocal space mapping and high resolution transmission electron microscopy confirmed the alternative alignment of Fe and Mn along [111] direction of Bi2FeMnO6 films. Magnetic and ferroelectric properties of Bi2FeMnO6 films are characterized and analyzed. The room-temperature ferroelectricity is well kept in Bi2FeMnO6 film as expected. However, it is very interesting that Bi2FeMnO6 film exhibits a typical spin-glass behavior and very weak magnetism rather than a ferri/ferromagnetism as generally believed. Our first-principles calculations suggest a spin frustration model for Bi2FeMnO6, which can well explain the intriguing magnetic property of Bi2FeMnO6 film.

研究の動機と目的

• SrTiO3基板上に、Fe-Mn陽イオン秩序が制御された高秩序なBi2FeMnO6エpitaxial薄膜の成長を目的とする。
• デュアルペロブスカイト構造における強誘電性と磁気秩序の共存を調査することを目的とする。
• 理論的予測によるフェリマグネティズムと、実験的観察によるスピンガラス行動との乖離を解明することを目的とする。
• 第一原理計算とモンテカルロシミュレーションを用いて、Bi2FeMnO6におけるスピンフラストレーションの起源を理解することを目的とする。
• 多フェロ酸化物における強誘電性歪みと磁気フラストレーションの間の関連を確立することを目的とする。

提案手法

• Pulsed laser deposition (PLD)を用いて、(001)面SrTiO3基板上にエpitaxialBi2FeMnO6薄膜を成長させた。
• シンクロトロンX線回折の逆空間マッピング（RSM）および高分解能透過電子顕微鏡（HRTEM）により、[111]方向にFe-Mnの秩序が確認された。
• ピエゾ応答力顕微鏡法（PFM）およびSQUID/PPMS測定を用いて、室温での強誘電性および磁気的性質を評価した。
• X線吸収スペクトロスコピー（XAS）およびX線磁気円二色性（XMCD）を台湾のNSRRCのビームライン11Aで実施し、局所的な電子的および磁気的構造を調べた。
• 第一原理計算には、WIEN2k（フルポテンシャル線形化 augmented 平面波）およびVASP（投影 augmented 平面波）法を用い、GGA+U関数を用いて電子的および磁気的性質をモデル化した。
• ヘイゼンベルグハミルトニアンに基づくモンテカルロシミュレーションを用いてスピンガラス状態をモデル化し、16a×16a×16cのスーパーセルと周期的境界条件を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SrTiO3基板上に、[111]方向にFe-Mn陽イオン秩序が制御された高秩序なBi2FeMnO6エpitaxial薄膜を効果的に成長させることができるか？
• RQ2 Bi2FeMnO6における強誘電性と磁気秩序の共存が、予想されるフェリマグネティック行動を示すのか、あるいは非従来の磁気的状態を示すのか？
• RQ3 理論的予測ではフェリマグネティズムが予想されるにもかかわらず、Bi2FeMnO6で観察されたスピンガラス行動の起源は何か？
• RQ4 強誘電性歪みが、磁気的交換相互作用にどのように影響を与え、Bi2FeMnO6におけるスピンフラストレーションを誘発するのか？
• RQ5 この系における磁気誘電結合が、スピンフラストレーションの出現にどの程度寄与しているのか？

主な発見

• SrTiO3 (001)基板上に、[111]方向にFe-Mnの秩序が整った高秩序なBi2FeMnO6エpitaxial薄膜が成功裏に成長した。
• シンクロトロンXRDのRSMおよびHRTEMにより、[111]方向にFeとMnが交互に配置され、スーパラティス周期が√2×√2×2であることが確認された。
• PFM測定により、室温でも良好に保存された強誘電性が確認された。
• 磁気測定により、約100 Kでスピンガラス的転移が観察されたが、長距離磁気秩序は確認されず、フェリマグネティズムの予測とは矛盾した。
• 第一原理計算により、スピンフラストレーションは特定の強誘電性歪み相（λ ≈ 0.4）においてのみ発生し、次近隣相互作用の反強磁性交換が強化されることが示された。
• 強誘電性分極と反強磁性交換相互作用の結合がスピンフラストレーションの起源であると特定され、磁気誘電効果の可能性が示唆された。