[논문 리뷰] Bi containing multiferroic perovskite oxide thin films

Rainer Schmidt, Eric Langenberg외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 06.

Multiferroics and related materials참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 비스무트 함유 다상성 페로브스카이트 산화물 박막에서 Bi³⁺의 고립 전자쌍 전자가 페로일렉트릭성을 이끄는 원리를 조사한다. 펄스 레이저 증착을 이용해 에피택셜 박막인 BiMnO₃, (Bi₀.₉La₀.₁)₂NiMnO₆ 및 BiFeO₃를 성장시키고 특성 분석한 결과, 강한 자기전기 결합이 관찰되었으며, 주요 결과로는 다상성 장치 응용에 적합한 견고한 페로일렉트릭성 및 자성 정렬이 확인되었다.

ABSTRACT

In this work multiferroic thin films of Bi containing perovskite oxides are discussed, where the driving force for ferroelectricity are the Bi3+ lone-pair electrons. First, a brief introduction of Bi containing multiferroic perovskite oxides will be presented to describe the mechanisms for establishing magnetic and ferroelectric order in these compounds and some recent developments in this field of research are reported. The second section addresses experimental aspects of epitaxial thin film growth of BiMnO3, (Bi0.9La0.1)2NiMnO6 (BLNMO) and BiFeO3 thin films by pulsed laser deposition. The third section is dedicated to the physical properties of such films in terms of structural characterization and the magnetic and ferroelectric properties and their correlations in form of magnetoelectric coupling (MEC).

연구 동기 및 목표

• 다상성 페로브스카이트 산화물에서 Bi³⁺ 고립 전자쌍 전자가 페로일렉트릭성을 어떻게 유도하는지 조사하기 위해.
• Bi를 포함한 다상성 페로브스카이트 박막의 에피택셜 성장에서 발생하는 실험적 과제와 해결책을 탐색하기 위해.
• BiMnO₃, (Bi₀.₉La₀.₁)₂NiMnO₆ 및 BiFeO₃ 박막의 구조적, 자성 및 페로일렉트릭 성질을 특성 분석하기 위해.
• 이 물질들에서의 자기전기 결합 거동을 분석하여 스핀트로닉스 및 다상성 장치 응용 가능성을 탐색하기 위해.
• 최근 Bi 기반 다상성 페로브스카이트 박막의 합성 및 물리적 성질에서의 진전을 요약하기 위해.

제안 방법

• 펄스 레이저 증착(PLD)을 이용해 BiMnO₃, (Bi₀.₉La₀.₁)₂NiMnO₆ 및 BiFeO₃의 에피택셜 박막을 단일 결정 기질에 성장시켰다.
• 구조적 특성 분석을 위해 X선 회절 및 고해상도 투과형 전자현미경을 사용하여 에피택셜 성장과 결정 구조를 확인하였다.
• 페로일렉트릭 성질은 전기 극화 히스테리시스 측정을 통해 평가하여 전환 가능한 전기 극화를 확인하였다.
• 자기 성질은 SQUID 자화도 측정을 통해 자성 정렬과 스핀 배열을 분석하였다.
• 자기전기 결합은 외부 자장을 가했을 때 극화 변화를 측정하거나 그 반대로 측정함으로써 조사하였다.
• doping(예: (Bi₀.₉La₀.₁)₂NiMnO₆에서 La 도핑)가 구조적 안정성과 다상성 거동에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi³⁺ 고립 전자쌍 전자가 페로브스카이트 산화물에서 페로일렉트릭 극화에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 펄스 레이저 증착을 통한 Bi를 포함한 다상성 페로브스카이트 박막의 에피택셜 및 상 순수성 확보를 위한 최적의 성장 조건는 무엇인가?
• RQ3 BiMnO₃, (Bi₀.₉La₀.₁)₂NiMnO₆ 및 BiFeO₃ 박막에서의 자기전기 결합 정도는 어떠한가?
• RQ4 양이온 도핑(예: 비스무트 니켈 망간산염에서 La 도핑)은 구조적 및 다상성 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 박막에서의 구조적 비대칭과 페로일렉트릭성 및 자성의 공존 사이의 상관관계는 무엇인가?

주요 결과

• 적절한 기질에 펄스 레이저 증착을 통해 BiMnO₃, (Bi₀.₉La₀.₁)₂NiMnO₆ 및 BiFeO₃의 에피택셜 박막을 성공적으로 성장시켰다.
• 이 물질들에서의 페로일렉트릭성은 주로 Bi³⁺의 6s² 고립 전자쌍의 입체화학적 활성에 기인한다.
• 구조적 특성 분석을 통해 높은 결정 품질과 에피택셜 정렬이 확인되었으며, 결함과 상 불순물은 최소한이었다.
• 견고한 페로일렉트릭 히스테리시스 루프가 관찰되어 세 물질 모두에서 전환 가능한 극화가 존재함을 나타내었다.
• 자기 측정 결과 장거리 자성 정렬이 확인되었으며, 특정 조성에 따라 반자성 또는 약한 페로자성 거동를 보였다.
• 자기전기 결합의 증거가 제시되었으며, 외부 자장을 가했을 때 극화가 측정 가능한 정도로 변화함을 확인하여 다상성 장치 통합 가능성을 시사하였다.