[논문 리뷰] Simultaneous Occurrence of Multiferroism and the Short-Range Magnetic Order in DyFeO3

Jinchen Wang, Juanjuan Liu외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 25.

Multiferroics and related materials인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 DyFeO3에서 강한 전자기계 효과가 Fe3+ 이온의 약한 강자성과 Dy3+ 이온의 국소적 반자성 질서가 동시에 공존함으로써 발생함을 드러내며, c축에 따라 적용된 자기장 하에서 중성자 회절 및 자화 측정을 통해 확인되었다. 자기장에 의해 유도된 Dy 이온의 국소적 질서는 다중철성 상과 일치하며, 이는 물질의 큰 히스테리시스와 향상된 전자기계 결합을 이끄는 핵심 기여 요소로 규명되었다.

ABSTRACT

We report a combined neutron scattering and magnetization study on the multiferroic DyFeO3 which shows a very strong magnetoelectric effect. Applying magnetic field along the c-axis, the weak ferromagnetic order of the Fe ions is quickly recovered from a spin reorientation transition, and the long-range antiferromagnetic order of Dy becomes a short-range one. We found that the short-range order concurs with the multiferroic phase and is responsible for its sizable hysteresis. Our H-T phase diagram suggests that the strong magnetoelectric effect in DyFeO3 has to be understood with not only the weak ferromagnetism of Fe but also the short-range antiferromagnetic order of Dy.

연구 동기 및 목표

• DyFeO3에서 매우 강한 전자기계 효과의 기원을 밝히는 것. 이는 높은 잠재력에도 불구하고 여전히 이해되지 않은 바이다.
• c축에 따라 적용된 자기장 하에서 DyFeO3의 자성 상 전이를 조사하며, 특히 Dy3+ 및 Fe3+ 서브격자 행동에 집중하는 것.
• Dy3+ 이온의 국소적 자성 질서가 다중철성 상과 그 연관된 히스테리시스를 유지하는 데 결정적인 역할을 하는지 규명하는 것.
• 장거리 및 국소적 자성 질서와 다중철성 상태 간의 상호작용을 반영하는 종합적인 H–T 상도를 수립하는 것.

제안 방법

• 브래그 연구소의 Taipan 삼축 분광계와 옥스포드 국립연구소의 SNS에서의 CORELLI 시간비행 분광계를 사용하여 단결정 중성자 회절을 수행하였다.
• c축에 따라 자기장을 적용하여 자화 전이를 탐색하기 위해 Quantum Design VSM을 사용한 거시적 자화 측정을 실시하였다.
• G형 Fe3+ 및 G/A형 Dy3+ 자성 질서 간의 위상 관계를 고려한 모델을 사용하여 자성 산란 강도를 분석하였으며, 복잡한 산란 함수와 상대 위상 이동을 포함하였다.
• 이전 연구에서 구한 자성 형상 요소 및 모멘트 크기(예: mFe = 2.8 μB, mDy,x = 4.5 μB, mDy,y = 8.0 μB)를 강도 보정의 기준으로 사용하였다.
• 벡터 간 간섭을 고려하기 위해 산란 함수 |F⊥|² = |Fx^G,Dy|² + |Fy^A,Dy + Fy^G,Fe|² − |q̂xFx^G,Dy + q̂y(Fy^A,Dy + Fy^G,Fe)|² 를 적용하였다.
• 관측된 강도와 이론 모델을 비교하여 자성 투과 도메인과 위상 구성 요소를 구분하였으며, (3,2,0) 및 (2,1,0) 피크가 강화되는 구성이 유리한 것으로 판단되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 c축에 따라 적용된 자기장이 DyFeO3의 Dy3+ 이온에서 장거리 반자성 질서에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 Dy3+ 서브격자에서의 국소적 자성 질서가 다중철성 상을 안정화시키고 강력한 전자기계 결합을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 Fe3+ 이온에서의 약한 강자성의 복원이 큰 히스테리시스와 강력한 전자기계 효과를 설명하는 데 충분한가, 아니면 추가 기여 요소가 필요한가?
• RQ4 G형 Fe3+ 및 G/A형 Dy3+ 자성 질서 간의 상대 위상 관계가 관측된 중성자 회절 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 c축 자기장 하에서 DyFeO3의 완전한 H–T 상도는 무엇이며, 관측된 다중철성 및 자성 질서 공존 현상과 어떻게 일치하는가?

주요 결과

• c축에 따라 자기장을 적용하면 Dy3+ 이온의 장거리 반자성 질서가 억제되고 국소적 반자성 질서가 유도된다.
• Dy3+ 이온의 국소적 질서는 중성자 회절 및 자화 데이터로 확인된 다중철성 상과 정확히 동시에 공존한다.
• 강력한 전자기계 결합을 가진 다중철성 상태는 Dy3+ 이온의 자기장 유도 국소적 질서 상에서만 관측된다.
• Fe3+ 서브격자는 10 K 및 60 K에서 모두 2.8 μB의 약한 강자성 모멘트를 나타내며, G_y 자성 구조와 일치하며 중성자 회절을 통해 확인되었다.
• 상대 위상 이동을 고려한 자성 구조 모델 중 그림 7(a)의 구성이 (3,2,0) 및 (2,1,0) 브라그 피크에 대해 실험 데이터와 가장 잘 맞는 것으로 나타났다.
• H–T 상도는 DyFeO3에서 강력한 전자기계 효과가 Fe3+의 약한 강자성만으로는 설명되지 않으며, Dy3+의 국소적 반자성 질서와의 상호작용에 의해 결정된다는 것을 드러냈다.