[論文レビュー] Enhanced polarization, magnetoelectric response and possible bi-multiferroic phase separation in Tb_{1-x}Ho_xMnO_3

Chengliang Lu, Sining Dong+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2009

Multiferroics and related materials被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、多フェロイック特性を向上させるためにTb1-xHoxMnO3マンガナイトを調査し、0.2から0.4の範囲のxにおいて、スピンの螺旋状配列とE型スピン秩序の競合によって、分極と磁電効果応答が顕著に増大することを明らかにした。理論的モデリングにより相分離が支持され、この固溶体系にバイマルチフェロイック行動の可能性が示唆された。

ABSTRACT

A series of manganites Tb1-xHoxMnO3 (0<=x<=0.6) with orthorhombic structure are synthesized and detailed investigations on their multiferroicity are performed. Successive magnetic transitions upon temperature variation are evidenced for all samples, and both the Mn3+ spiral spin ordering and rare-earth spin ordering are suppressed with increasing x. Significant enhancement of both the polarization and magnetoelectric response within 0.2

研究の動機と目的

• Tb1-xHoxMnO3の固溶体系におけるホルミウムドーピング量の変化（x=0から0.6）に伴う多フェロイック行動の調査。
• 中間ドーピング範囲における分極と磁電効果応答の増大の原因の解明。
• Mn3+の螺旋状スピン秩序と希土類元素のE型スピン秩序の競合が多フェロイック特性に与える役割の調査。
• この系に明確に分離した多フェロイック相への相分離が生じるかどうかの特定。

提案手法

• 全x範囲（0 ≤ x ≤ 0.6）における正交晶系Tb1-xHoxMnO3単相多結晶試料の合成。
• 磁化および比熱測定を用いた温度依存性の磁気転移の測定。
• 誘電およびピロエレクトリック測定による電気分極と磁電結合の定量的評価。
• 観察された増大と相分離を理論的に説明する二電子軌道ダブルエクスチェンジモデルの適用。
• スピン秩序の進化と多フェロイック応答の相関を結びつけるための構造的および磁気的データの分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホルミウムドーピング（x）は、Tb1-xHoxMnO3における磁気的および多フェロイック転移にどのように影響を与えるか？
• RQ2 x=0.2–0.4範囲で分極と磁電効果応答が増大するのは何が原因か？
• RQ3 Tb1-xHoxMnO3に明確に分離した多フェロイック相への相分離の証拠があるか？
• RQ4 競合するMn3+螺旋状スピン秩序と希土類元素のE型スピン秩序は、多フェロイック応答にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 分極と磁電効果応答の最大値がx=0.2～0.4の範囲で観測され、最適ドーピング窓が存在することが示された。
• 磁気測定により、xの増加に伴いMn3+螺旋状スピン秩序と希土類元素スピン秩序の両方が抑制されることを確認した。
• 二e_g軌道ダブルエクスチェンジ機構に基づく理論的モデリングにより、多フェロイック相分離の存在が支持された。
• 中間ドーピング範囲における応答の増大の原因として、共存する多フェロイック相への相分離が提案された。
• x=0.2–0.4範囲において磁電結合が顕著に増大しており、デバイス応用への可能性を示唆した。
• 本研究では、Mn3+と希土類元素のスピン格子の両方が分極性に寄与する可能性のあるバイマルチフェロイック状態の存在を同定した。