[論文レビュー] Structural Origin of the Metal-Insulator Transition of Multiferroic BiFeO3

Simon A. T. Redfern, Joanna N. Walsh+3 more|ArXiv.org|Jan 23, 2009

Multiferroics and related materials参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本研究は、高圧・高温X線回折を用いて、多フェロイックなBiFeO3における金属絶縁体（MI）転移の構造的起源を特定した。金属相γ相は立方晶（Pm3m）であり、ルチル型の斜方晶ではない。MI転移は、Mott転移やスピン状態の変化ではなく、立方晶相における半金属的バンドオーバーラップによって駆動される2次遷移型のバンド遷移であることが示された。

ABSTRACT

We report X-ray structural studies of the metal-insulator phase transition in bismuth ferrite, BiFeO3, both as a function of temperature and of pressure (931 oC at atmospheric pressure and ca. 45 GPa at ambient temperature). Based on the experimental results, we argue that the metallic gamma-phase is not rhombohedral but is instead the same cubic Pm3m structure whether obtained via high temperature or high pressure, that the MI transition is second order or very nearly so, that this is a band-type transition due to semi-metal band overlap in the cubic phase and not a Mott transition, and that it is primarily structural and not an S=5/2 to S=1/2 high-spin/low-spin electronic transition. Our data are compatible with the orthorhombic Pbnm structure for the beta-phase determined definitively by the neutron scattering study of Arnold et al .[Phys. Rev. Lett. 2009]; the details of this beta-phase had also been controversial, with a remarkable collection of five crystal classes (cubic, tetragonal, orthorhombic, monoclinic, and rhombohedral!) all claimed in recent publications.

研究の動機と目的

• BiFeO3における金属相の結晶構造に関する長年の論争を解消すること。
• BiFeO3における金属絶縁体（MI）転移が電子相関（Mott的）によって駆動されるのか、あるいはバンド構造効果によって駆動されるのかを特定すること。
• 温度および圧力下での構造的相遷移の順序を明らかにすること、特にβ相およびγ相の性質を解明すること。
• 金属絶縁体転移の起源が、高スピン（S=5/2）と低スピン（S=1/2）のFe3+状態の変化であるのかを特定すること。
• イン situ X線回折を用いて、多フェロイックなBiFeO3におけるMI転移メカニズムの決定的構造的証拠を提供すること。

提案手法

• 最大931 °Cの高温および最大45 GPaの高圧下で、BiFeO3におけるイン situ X線回折を実施した。
• 構造の精査を用いて、高温・高圧下における金属相の結晶対称性を同定した。
• Arnoldら（2009年）の neutron 回折結果と照合し、β相が斜方晶Pbnmであることを検証した。
• 格子定数および化学結合距離の変化を分析し、電子構造の変化を推察した。
• 磁気的および電子的モデルと照合することで、Fe3+のスピン状態遷移（S=5/2 対 S=1/2）の役割を評価した。
• 立方晶相におけるバンドオーバーラップの分析を通じて、MI転移がバンド型プロセスであることを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高圧・高温下におけるBiFeO3の金属相γ相の真の結晶構造は何か？
• RQ2 BiFeO3における金属絶縁体転移は、電子相関によって駆動されるMott転移か、それとも半金属的バンドオーバーラップによって駆動されるバンド型転移か？
• RQ3 Fe3+イオンのスピン状態の変化（高スピンから低スピンへの遷移）が、MI転移に関与しているか？
• RQ4 温度および圧力下での構造的遷移系列（α → β → γ）はどのように進化するのか？特にβ相の対称性は何か？
• RQ5 金属絶縁体転移は2次的か1次的か？その性質を制御する構造的パラメータは何か？

主な発見

• 高圧・高温下において、BiFeO3の金属相γ相は、ルチル型ではなく、空間群Pm3mに属する立方晶であることが判明した。
• 金属絶縁体転移は2次的、あるいは非常に近い2次的であることが示され、構造的および電子的変化が連続的であることを示している。
• 転移は、Mott転移ではなく、立方晶Pm3m相における半金属的バンドオーバーラップによって駆動されるバンド型メカニズムである。
• 中間的温度・圧力領域で観察されたβ相は、明確に斜方晶Pbnmに属しており、これにより長年の論争が解決された。
• Fe3+イオンの高スピン（S=5/2）から低スピン（S=1/2）への遷移が、MI転移の原因であるという証拠はない。
• 圧力および温度下での構造的進化は、1次的相転移ではなく、連続的で対称性駆動の遷移であることを支持している。