[논문 리뷰] A-Site Cation disorder and Size variance effects on the physical properties of multiferroic Bi0.9RE0.1FeO3 Ceramics (RE =Gd3+,Tb3+,Dy3+)

T. Karthik, T. Durga Rao외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 25.

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한 줄 요약

이 연구는 Gd³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺ 도핑으로 인한 A-위치 양이온의 질서와 크기 불일치가 Bi0.9RE0.1FeO3 세라믹스의 구조적, 광학적, 자성 및 전기적 성질에 미치는 영향을 조사한다. 구조적 상 분리, FeO6 옥탄형의 불안정화, Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용에 의한 약한 강자성의 향상, 내부 화학적 압력으로 인한 전하 운반자 농도 감소가 모두 관찰되었으며, 이는 희토류 이온의 크기 불일치에 기인한다.

ABSTRACT

Effect of an internal chemical pressure on structural, optical, magnetic and electrical properties in Bi0.9RE0.1FeO3 Ceramics (RE =Gd3+,Tb3+,Dy3+)has been studied extensively. Some of the highlights are as follows; 1. Coexistence of orthorhombic Bragg reflections along with the R3c phase.(Structural Phase separation revealed from XRD and Raman spectroscopy) 2. Selective softening of phonon mode corresponding to oxygen motion suggests a significant destabilization in the FeO6 octahedra. 3. Three Charge transfer transitions (Fe1 3d ightarrow Fe2 3d, Op ightarrow Fed,Op ightarrow Bip) and a doubly degenerate d-d transition (6A1g ightarrow 4T2g) have been observed through optical studies. 4. The suppression of spiral spin structure release the macroscopic magnetization so called weak ferromagnetism in RE-BFO samples and expalined by presence of DM interaction 5. Heat flow measurement reveals a decrease in Neel transition temperature (TN) with RE3+-ion substitution endorses the suppression of antiferromagnetic ordering. Present results also provide an 6. A decrease in vacant sites was confirmed from the lower density of states N(Ef) of charge carriers in RE-BFO samples, further it also correlates well with the hopping length (Rmin) and conductivity studies. All the results are well correlated.

연구 동기 및 목표

• 다핵소성 Bi0.9RE0.1FeO3 세라믹스의 물리적 성질에 대한 A-위치 양이온의 질서와 이온 크기 변동의 영향을 이해하는 것.
• 희토류 도핑(Gd³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺)이 내부 화학적 압력을 유도하고 구조적, 자성 및 전기적 거동을 어떻게 변화시키는지 조사하는 것.
• 구조적 비정상성과 광학적 전이, 자성 정렬, 전하 운반자 동역학의 변화 간의 상관관계를 규명하는 것.
• 이러한 다핵소성 시스템에서 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용이 약한 강자성을 가능하게 하는 역할을 설명하는 것.
• 희토류 이온의 크기가 Bi0.9RE0.1FeO3의 Neél 온도 억제와 결함 화학에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• X선 회절(XRD) 및 라만 스펙트로스코피를 이용해 구조적 상 분리와 격자 비정상성을 탐지함.
• 광학적 흡수 스펙트로스코피를 통해 도핑된 비スマ스트 페로이트 시스템에서의 전하 이동 및 d-d 전자 전이를 식별함.
• 열류 측정을 통해 희토류 치환에 따른 Neél 온도(TN) 억제를 결정함.
• Fermi 수준 근처 상태 밀도(N(Ef)) 및 터널 길이(Rmin) 분석을 통해 전하 운반자 농도와 전도 메커니즘을 평가함.
• Dzyaloshinskii-Moriya(DM) 상호작용 이론을 활용해 반자성 BiFeO3에서 약한 강자성이 나타나는 메커니즘을 설명함.
• Gd³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺ 세 가지 희토류 도핑제를 대비하여 구조적 및 전자적 반응을 체계적으로 비교함으로써 크기 및 질서 효과를 분리 분석함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RE3+ 도핑에 의한 A-위치 양이온의 질서와 이온 크기 변동이 Bi0.9RE0.1FeO3 세라믹스의 구조적 상 안정성에 미치는 영향는 무엇인가?
• RQ2 내부 화학적 압력이 FeO6 옥탄형의 불안정화와 진동 모드의 변화를 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 광학 스펙트럼에서의 전하 이동 및 d-d 전이가 희토류 도핑에 의한 전자 구조 변화를 어떻게 반영하는가?
• RQ4 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용이 이 다핵소성 시스템에서 관찰된 약한 강자성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 희토류 이온의 크기가 Bi0.9RE0.1FeO3의 Neél 온도 억제와 전하 운반자 농도에 미치는 영향는 어떠한가?

주요 결과

• 정방형 Bragg 피크와 R3c 상의 공존은 XRD 및 라만 스펙트로스코피로 확인된 구조적 상 분리를 시사한다.
• 산소 관련 진동 모드의 선택적 연화는 내부 화학적 압력으로 인한 FeO6 옥탄형의 심각한 불안정화를 드러낸다.
• 광학 연구에서 세 가지 전하 이동 전이(Fe1 3d → Fe2 3d, O p → Fe d, O p → Bi p)와 이중 degeneracy를 가진 d-d 전이(6A1g → 4T2g)를 확인하였다.
• 나선형 스핀 구조의 억제로 인해 관측 가능한 약한 강자성이 발생하며, 이는 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용 존재에 의해 설명된다.
• 열류 측정 결과, RE3+ 도핑 농도가 증가할수록 Neél 온도(TN)가 감소함을 확인하여 반자성 정렬의 억제를 확인하였다.
• Fermi 수준 근처 상태 밀도(N(Ef)) 감소 및 낮아진 터널 길이(Rmin)는 빈 자리 수와 전하 운반자 농도 감소를 확인하며 전도도 데이터와 일치한다.