[论文解读] Coexistence of Weak Ferromagnetism and Ferroelectricity in the High Pressure LiNbO3-type Phase of FeTiO3

Tamás Varga, Amit Kumar+12 more|ArXiv.org|May 20, 2009

Multiferroics and related materials被引用 5

一句话总结

本研究展示了在高压下合成的FeTiO3的LiNbO3型相（FeTiO3-II）中，弱铁磁性和铁电性的共存。通过压电力显微镜、二次谐波生成和磁学测量，作者证实了在室温以下存在铁电性，且在约120 K以下出现弱铁磁性，验证了基于对称性的设计原则以及第一性原理预测的由Dzyaloshinskii-Moriya相互作用驱动的多铁性行为。

ABSTRACT

We report the magnetic and electrical characteristics of a polycrystalline specimen of FeTiO3 synthesized at high pressure that is isostructural with acentric LiNbO3 (LBO). Piezoresponse force microscopy, optical second harmonic generation, and magnetometry demonstrate that FeTiO3-II is ferroelectric at and below room temperature and weakly ferromagnetic below ~120 K. These results validate symmetry-based materials design criteria and first principles calculations of coexistence between ferroelectricity and weak ferromagnetism in a series of transition metal titanates crystallizing in the LBO structure. The high-pressure form of FeTiO3 stands out as a rare example of a ferroelectric exhibiting weak ferromagnetism generated by a Dzyaloshinskii-Moriya interaction.

研究动机与目标

• 研究具有非中心对称LiNbO3（LBO）结构的高压FeTiO3的磁性和电学性质。
• 检验基于对称性的设计原则是否能预测过渡金属钛酸盐中铁电性与弱铁磁性的共存。
• 验证第一性原理计算中关于FeTiO3的LBO相具有多铁性行为的预测。
• 确立FeTiO3-II为兼具极性序和磁序的单相多铁性材料的罕见实例。

提出的方法

• 通过高压合成多晶FeTiO3以稳定LiNbO3型（LBO）相。
• 利用压电力显微镜（PFM）检测铁电畴和极化翻转。
• 通过光学二次谐波生成（SHG）确认非中心对称结构和铁电性。
• 通过磁学测量表征磁有序并识别弱铁磁性。
• 将实验结果与第一性原理电子结构计算进行比较。
• 分析Dzyaloshinskii-Moriya相互作用作为观测到的弱铁磁性的微观起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 高压LiNbO3型FeTiO3相是否在室温及以下温度表现出铁电性？
• RQ2 高压FeTiO3相中是否存在弱铁磁性？若存在，其转变温度约为多少？
• RQ3 能否在具有LBO结构的单相过渡金属氧化物中实验验证铁电性与弱铁磁性的共存？
• RQ4 观测到的FeTiO3-II中弱铁磁性的微观起源是什么？
• RQ5 FeTiO3-II的实验行为是否与基于对称性的设计原则及第一性原理预测一致？

主要发现

• FeTiO3-II在室温及以下温度表现出铁电性，该结果通过压电力显微镜和二次谐波生成得到证实。
• 弱铁磁性在约120 K以下出现，磁学测量结果提供了有力证据。
• 在具有LiNbO3型结构的单相材料中，铁电性与弱铁磁性的共存现象得到实验验证。
• 观测到的弱铁磁性归因于Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，其源于晶体结构中缺乏反演对称性。
• 研究结果支持基于对称性的材料设计方法，并验证了第一性原理预测在过渡金属钛酸盐中多铁性行为的可靠性。
• FeTiO3-II作为在高压下稳定兼具极性和磁序的多铁性氧化物，是罕见的实例。