[論文レビュー] Magnetoelectric ordering of BiFeO3 and the search for multiferroics from the perspective of crystal chemistry

Л. М. Волкова, Dmitry Marinin|arXiv (Cornell University)|May 18, 2010

Multiferroics and related materials被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、BiFeO3における磁電秩序の駆動要因としての孤電子対の立体化学的活性の役割を調査し、温度低下に伴い孤電子対活性が増加することで、同時に反強誘電性、磁気的秩序、金属-絶縁体転移が引き起こされることを示している。また、反強磁性から強磁性への結合遷移が観察されたスピン構造の中心的役割を特定するとともに、La3+ドーピングによるその抑制を明らかにした。

ABSTRACT

In this paper we examine the role of crystal chemistry factors in creating conditions for formation of magnetoelectric ordering in BiFeO3. It is generally accepted that the main reason of the ferroelectric distortion in BiFeO3 is concerned with a stereochemical activity of the Bi lone pair. However, the lone pair is stereochemically active in the paraelectric orthorhombic beta-phase as well. We demonstrate that a crucial role in emerging of phase transitions of the metal-insulator, paraelectric-ferroelectric and magnetic disorder-order types belongs to the change of the degree of the lone pair stereochemical activity - its consecutive increase with the temperature decrease. Using the structural data, we calculated the sign and strength of magnetic couplings in BiFeO3 in the range from 945 C down to 25 C and found the couplings, which undergo the antiferromagnetic-ferromagnetic transition with the temperature decrease and give rise to the antiferromagnetic ordering and its delay in regard to temperature, as compared to the ferroelectric ordering. We discuss the reasons of emerging of the spatially modulated spin structure and its suppression by doping with La3+.

研究の動機と目的

• BiFeO3における磁電秩序を可能にする結晶化学的要因を理解すること。
• Bi 6s2孤電子対が高温の無秩序相では活性であるにもかかわらず、冷却によってのみ反強誘電性を引き起こす理由を明確にすること。
• 磁気的結合の温度依存的変化とその反強磁性秩序形成における役割を分析すること。
• 空間的に周期的なスピン構造の出現およびLa3+ドーピングによるその抑制を説明すること。

提案手法

• 945 °Cから25 °Cまでの温度範囲における構造データの分析を通じて、孤電子対の立体化学的活性の変化を追跡する。
• 構造パラメータに基づく磁気的結合強度の計算により、交換相互作用の温度依存的変化を特定する。
• 温度低下に伴い磁気的結合に反強磁性-強磁性の遷移が見られるかどうかを同定する。
• 結晶化学的原則を用いて、構造的歪みと相転移の順序の相関を分析する。
• 反強誘導転移温度と反強誘電転移温度の比較を通じて、結合遅延の有無を評価する。
• ドーピング分析により、La3+置換が周期的スピン構造の抑制に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BiFeO3におけるBi 6s2孤電子対の立体化学的活性は、どのように反強誘電性および磁気的相転移を駆動するか？
• RQ2 孤電子対は無秩序なβ相では活性であるにもかかわらず、なぜ冷却によってのみ反強誘電性を誘発するのか？
• RQ3 磁気的結合の温度依存性は何か？ そして、反強磁性的性質から強磁性的性質への遷移はどのように進行するか？
• RQ4 BiFeO3に空間的に周期的なスピン構造が形成される原因は何であり、La3+ドーピングによってその構造はどのように抑制されるか？
• RQ5 金属-絶縁体転移、反強誘電転移、磁気的転移の順序は、孤電子対活性の変化とどのように関係しているか？

主な発見

• 孤電子対の立体化学的活性度は、温度低下に伴い連続的に増加し、BiFeO3における相転移の順序を駆動している。
• BiFeO3における磁気的結合は、温度低下に伴い反強磁性的から強磁性的へと遷移し、反強磁性秩序の安定化をもたらしている。
• 磁気的転移温度は反強誘電転移温度よりも遅れて発生しており、両者の秩序化機構が分離していることを示している。
• 空間的に周期的なスピン構造は、変化する孤電子対活性に影響を受ける競合する磁気的相互作用に起因している。
• La3+ドーピングは、局所的結晶場の変化とスピンの不均衡状態の低減によって、周期的スピン構造を抑制する。
• 計算された磁気的結合は、実験的観察と整合的な強い温度依存的変化を示しており、その妥当性を裏付けている。