[論文レビュー] Magnetic and Dielectric Properties of Multiferroic BiFeO3 Nanoparticles Synthesized by a Novel Citrate Combustion Method

Samar Layek, H. C. Verma|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2015

Multiferroics and related materials被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、平均粒子径47 nmの単相BiFeO3ナノ粒子を合成する、溶媒を用いない新規なクエン酸燃焼法を提案する。このナノ粒子はルチル系R3cペロブスカイト構造に結晶化し、弱いフェロ磁性を示し、コercive場は180 Oe、57Feモースバウアー分光法によるヘッジフィールドは49.5 Tである。一方、高誘電整合度は示さず、塊体セラミックスとは区別される。

ABSTRACT

Single phase BiFeO3 nanoparticles have been successfully synthesized for the first time by a novel citrate combustion method without using any solvent. Well mixed metal nitrates along with citric acid which is used as fuel combust to give BiFeO3 nanoparticles after annealing. These particles are single phase in nature and crystallize in the rhombohedral distorted perovskite structure (space group-R3c) which has been confirmed by the Rietveld refinement of the room temperature powder x-ray diffraction data. Nearly spherical particles of average particle size 47 nm have been seen from transmission electron micrograph. Room temperature magnetic hysteresis measurement shows weak ferromagnetism though the magnetization does not saturate upto 1.75 T applied field. The coercive field value is calculated to be 180 Oe which is 3 times higher than that prepared by solvent free combustion method using Glycine. 57Fe Mössbauer spectrum can be fitted with a sextet corresponding to single magnetic state of hyperfine field about 49.5 T corresponding to Fe3+ state of the iron atom. The dielectric relaxation and ac conductivity as a function of frequency have been discussed. High dielectric permittivity has not been found in these nanoparticles like other reported BiFeO3 ceramics.

研究の動機と目的

• 単相BiFeO3ナノ粒子を合成する溶媒を用いない低コストなプロセスを開発すること。
• 新規なクエン酸燃焼法で合成されたBiFeO3ナノ粒子の磁気的および誘電的性質を調査すること。
• 特に塊体と異なる誘電的応答を示すナノスケールでのBiFeO3の構造的および磁気的挙動を理解すること。
• グリシンを用いた燃焼法などの他の溶媒を用いない手法と比較して、クエン酸燃焼法で合成されたBiFeO3の磁気的性質を評価すること。

提案手法

• ビスマスおよび鉄の硝酸塩を前駆体とし、クエン酸を燃料として用いた溶媒を用いないクエン酸燃焼法を採用した。
• 混合された硝酸塩-クエン酸前駆体を熱処理して自己持続的燃焼を誘発し、焼鈍後にBiFeO3ナノ粒子を形成した。
• X線回折(XRD)とリエーテベル補正を用いて、合成ナノ粒子のルチル系R3cペロブスカイト構造を確認した。
• 透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて粒子の形態および粒子径を測定し、ほぼ球形の粒子が約47 nmであることが判明した。
• 室温での磁気ヒステリシス測定を実施し、フェロ磁性の挙動およびコーエルスイブ場を評価した。
• 57Feモースバウアー分光法を用いて鉄のハイパーフィールドおよび酸化状態を分析し、Fe3+が単一の磁気状態にあることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 溶媒を一切使用しないクエン酸燃焼法により、単相BiFeO3ナノ粒子を合成できるか？
• RQ2 本新規なクエン酸燃焼法で合成されたBiFeO3ナノ粒子の磁気的挙動は、特にコーエルスイブ場および磁化飽和度に関してどうなるか？
• RQ3 これらのナノ粒子の誘電的応答は、塊体または他のナノ構造化BiFeO3セラミックスと比較してどのように異なるか？
• RQ4 57Feモースバウアー分光法によって明らかにされたBiFeO3ナノ粒子内の鉄のハイパーフィールド相互作用は何か？
• RQ5 粒子径および粒子の形状が、本合成法における観察された磁気的および誘電的性質に影響を与えるか？

主な発見

• 合成されたBiFeO3ナノ粒子は単相であり、XRDデータのリエーテベル補正によりルチル系R3cペロブスカイト構造に結晶化していることが確認された。
• 平均粒子径は47 nmであり、透過型電子顕微鏡による観察でほぼ球形の形態が観察された。
• 室温での磁気ヒステリシス曲線は、コーエルスイブ場が180 Oeの弱いフェロ磁性を示し、これはグリシンを用いた溶媒を用いない燃焼法の3倍にのぼる。
• 57Feモースバウアースペクトルは、ヘッジフィールドが49.5 Tの単一の磁気状態に対応するセクステットに適合し、Fe3+酸化状態が確認された。
• ナノ粒子では高誘電整合度は観察されず、他のBiFeO3セラミックスの報告とは対照的である。
• 誘電弛緩および交流導電度の挙動は周波数依存であり、非デューリー型の弛緩過程を示している。