[論文レビュー] The beta to gamma (insulator-metal) transition in BiFeO3

Donna C. Arnold, Kevin S. Knight+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2009

Multiferroics and related materials参考文献 1被引用数 62

ひとこと要約

本研究では、高温粉末中性子回折を用いてBiFeO3におけるベータ相からガンマ相への相転移を調査し、先行仮説とは異なり、両相とも対称性の上昇を示さない正方晶対称性を示すことが明らかになった。930 °C付近の半導体-金属転移はわずかな体積収縮を伴い、ガンマ相は約950 °Cまで安定して存在するが、その後Bi2Fe4O9および液体Bi2O3に分解する。960 °CでBi2Fe4O9の分解が顕著に観察される。

ABSTRACT

High temperature powder neutron diffraction experiments have been conducted around the reported beta-gamma, insulator-metal phase transition (~ 930 C) in BiFeO3. The results demonstrate that while a small volume contraction is observed at the transition temperature, consistent with an insulator-metal transition, both the beta and gamma phase of BiFeO3 exhibit orthorhombic symmetry i.e. no further increase of symmetry occurs under the present experimental conditions, contrary to previous suggestions. Furthermore we observe the gamma orthorhombic phase to persist up to a temperature of approximately 950 C before complete decomposition into Bi2Fe4O9 (and liquid Bi2O3), which subsequently begins to decompose at approximately 960 C.

研究の動機と目的

• BiFeO3のベータ相およびガンマ相における絶縁体-金属転移の構造的対称性を明確化すること。
• ベータ-ガンマ相転移において対称性の上昇が示唆された過去の報告を解消すること。
• BiFeO3におけるガンマ相の熱的安定性限界を特定すること。
• BiFeO3の高温における相転移および分解挙動を特徴付けること。

提案手法

• ベータ-ガンマ相転移領域におけるBiFeO3の結晶構造を分析するために、高温粉末中性子回折が用いられた。
• 報告された転移温度（約930 °C）の周辺で測定を行い、構造的変化を評価した。
• 回折データからベータ相およびガンマ相の対称性と格子定数が決定された。
• 構造的変化の観察を960 °Cまで継続することで、熱的安定性が評価された。
• 回折パターンにBi2Fe4O9および液体Bi2O3の生成が確認されたことから、相分解が同定された。
• ベータ相とガンマ相の間で対称性の変化がないことを確認するためにデータが分析された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BiFeO3におけるベータ-ガンマ相転移は、従来の報告通り結晶対称性の変化を伴うのか？
• RQ2 高温におけるBiFeO3のガンマ相の正確な構造的性質は何か？
• RQ3 BiFeO3におけるガンマ相はどの温度から分解を始めると考えられるか？
• RQ4 BiFeO3の絶縁体-金属転移において体積変化はどのように変化するか？
• RQ5 950 °Cを超える温度でBiFeO3の分解生成物は何か？

主な発見

• BiFeO3のベータ相およびガンマ相は、いずれも正方晶対称性を示し、相転移に伴う対称性の上昇の証拠は見当たらない。
• 転移温度（約930 °C）でわずかな体積収縮が観察され、これは絶縁体-金属転移に一致する。
• ガンマ正方晶相は約950 °Cまで安定であり、その後Bi2Fe4O9および液体Bi2O3に分解する。
• Bi2Fe4O9の分解は約960 °Cで顕著に観察され、ガンマ相の上昇熱的限界を示している。
• 本研究の結果は、BiFeO3におけるベータ-ガンマ相転移に伴う対称性の変化を主張した先行研究とは矛盾する。
• 高温中性子回折により、相転移に伴う対称性の変化なしに構造的進化が確認された。