[논문 리뷰] Structural Origin of the Metal-Insulator Transition of Multiferroic BiFeO3

Simon A. T. Redfern, Joanna N. Walsh외 3명|ArXiv.org|2009. 01. 23.

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한 줄 요약

이 연구는 고압 및 고온 X선 회절을 통해 다중철산물 BiFeO3의 금속-비금속(MI) 전이의 구조적 기원을 규명한다. 금속성 γ상이 삼차원 구조(Pm3m)이며, 둥근 구조가 아니며, MI 전이가 Mott 전이 또는 스핀 상태 변화가 아니라 반도체 밴드 오버랩에 의해 유도되는 2차원 밴드 유형 전이임을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• BiFeO3의 금속성 상의 결정 구조에 대한 오랫동안 빛을 비추지 못한 논란을 해결하기 위해.
• BiFeO3의 금속-비금속(MI) 전이가 전자 상호작용(모트 유사)에 의해 유도되는지 아니면 밴드 구조 효과에 의해 유도되는지 규명하기 위해.
• 온도와 압력 하에서의 구조적 상 순서, 특히 β상과 γ상의 성질을 명확히 하기 위해.
• 금속-비금속 전이의 기원으로서 Fe3+ 이온의 고스핀(S=5/2)과 저스핀(S=1/2) 상태 전이 여부를 구분하기 위해.
• 현장 X선 회절을 이용해 다중철산물 BiFeO3의 MI 전이 메커니즘에 대한 결정적인 구조적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 최대 931 °C의 고온 및 최대 45 GPa의 고압 조건에서 BiFeO3에 대해 현장 X선 회절을 수행하였다.
• 고온 및 고압에서 금속성 상의 결정 대칭성을 규명하기 위해 구조적 보정을 사용하였다.
• Arnold 등(2009)의 중성자 회절 결과와 실험 데이터를 비교하여 β상의 구조가 정방형 Pbnm임을 검증하였다.
• 격자 매개변수와 결합 길이의 변화를 분석하여 전자 구조의 변화를 추론하였다.
• 자기적 및 전자 모델과의 비교를 통해 Fe3+ 이온의 스핀 상태 전이(S=5/2 대비 S=1/2)가 미치는 영향을 평가하였다.
• 입체 상에서의 밴드 오버랩을 분석하여 MI 전이가 밴드 유형 과정임을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온 및 고압 조건에서 BiFeO3의 금속성 γ상의 진정한 결정 구조는 무엇인가?
• RQ2 BiFeO3의 금속-비금속 전이는 전자 상호작용에 의해 유도되는 Mott 전이인가, 아니면 반도체 밴드 오버랩에 의해 유도되는 밴드 유형 전이인가?
• RQ3 Fe3+ 이온의 스핀 상태 전이(고스핀에서 저스핀으로의 전이)가 이 전이에 관여하는가?
• RQ4 온도와 압력 하에서의 구조적 순서(α → β → γ)는 어떻게 변화하며, β상의 대칭성은 무엇인가?
• RQ5 금속-비금속 전이는 2차 전이인가, 1차 전이인가? 그리고 그 성질을 결정하는 구조적 매개변수들은 무엇인가?

주요 결과

• BiFeO3의 금속성 γ상은 고온 및 고압 조건에서 모두 입체 구조(Pm3m)이며, 둥근 구조가 아니며, 이는 이론적 예측과 일치한다.
• 금속-비금속 전이는 2차 전이이거나 매우 유사한 2차 전이이므로, 연속적인 구조적 및 전자적 변화를 나타낸다.
• 전이는 Mott 전이가 아니라 입체 Pm3m 상에서 반도체 밴드 오버랩에 의해 유도되는 밴드 유형 메커니즘으로서의 전이이다.
• 중간 온도 및 압력에서 관측된 β상은 정방형 구조이며, 공간군 Pbnm으로 명확히 규명되어 이전의 논란을 해결하였다.
• Fe3+ 이온의 고스핀(S=5/2)에서 저스핀(S=1/2)으로의 전이가 금속-비금속 전이의 기원으로서의 증거가 없다.
• 압력과 온도 하에서의 구조적 변화는 1차 상전이가 아니라 연속적이고 대칭성에 의해 유도되는 전이를 지지한다.