[论文解读] Magnetoelectric ordering of BiFeO3 and the search for multiferroics from the perspective of crystal chemistry

Л. М. Волкова, Dmitry Marinin|arXiv (Cornell University)|May 18, 2010

Multiferroics and related materials被引用 2

一句话总结

本文研究了BiFeO3中孤对电子立体化学活性在驱动磁电有序中的作用，表明随着温度降低，孤对电子活性增强，触发了铁电性、磁性和金属-绝缘体转变的同时发生。研究识别出反铁磁到铁磁耦合的转变是观察到自旋结构的关键，并且该结构可被La3+掺杂抑制。

ABSTRACT

In this paper we examine the role of crystal chemistry factors in creating conditions for formation of magnetoelectric ordering in BiFeO3. It is generally accepted that the main reason of the ferroelectric distortion in BiFeO3 is concerned with a stereochemical activity of the Bi lone pair. However, the lone pair is stereochemically active in the paraelectric orthorhombic beta-phase as well. We demonstrate that a crucial role in emerging of phase transitions of the metal-insulator, paraelectric-ferroelectric and magnetic disorder-order types belongs to the change of the degree of the lone pair stereochemical activity - its consecutive increase with the temperature decrease. Using the structural data, we calculated the sign and strength of magnetic couplings in BiFeO3 in the range from 945 C down to 25 C and found the couplings, which undergo the antiferromagnetic-ferromagnetic transition with the temperature decrease and give rise to the antiferromagnetic ordering and its delay in regard to temperature, as compared to the ferroelectric ordering. We discuss the reasons of emerging of the spatially modulated spin structure and its suppression by doping with La3+.

研究动机与目标

• 理解促成BiFeO3中磁电有序的晶体化学因素。
• 阐明为何Bi 6s2孤对电子在顺电相中虽具活性，却仅在降温时才引发铁电性。
• 分析磁耦合随温度演变的规律及其在反铁磁有序中的作用。
• 解释空间调制自旋结构的形成机制及其被La3+掺杂抑制的原因。

提出的方法

• 从945 °C到25 °C的温度范围内分析结构数据，追踪孤对电子立体化学活性的变化。
• 基于结构参数计算磁耦合强度，以确定交换相互作用随温度的演变。
• 识别出随温度降低，磁耦合发生反铁磁-铁磁交叉转变。
• 运用晶体化学原理，将结构畸变与相变序列相关联。
• 将磁转变温度与铁电转变温度进行比较，评估两种有序机制的延迟耦合。
• 开展掺杂分析，评估La3+取代对调制自旋结构的抑制作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 Bi 6s2孤对电子的立体化学活性如何驱动BiFeO3中的铁电性和磁性相变？
• RQ2 为何孤对电子在顺电相的β相中保持活性，却仅在降温时才诱导出铁电性？
• RQ3 磁耦合的温度依赖性如何？它们如何从反铁磁特性转变为铁磁特性？
• RQ4 是什么导致了BiFeO3中空间调制自旋结构的形成？该结构如何被La3+掺杂所抑制？
• RQ5 金属-绝缘体、铁电性和磁性相变的顺序如何与孤对电子活性的变化相关联？

主要发现

• 孤对电子立体化学活性的程度随温度降低而持续增强，驱动了BiFeO3中相变的序列。
• BiFeO3中的磁耦合随温度降低发生从反铁磁到铁磁的转变，导致反铁磁有序的稳定。
• 磁转变温度相对于铁电转变温度存在延迟，表明两种有序机制之间存在解耦。
• 空间调制自旋结构源于受演化孤对电子活性影响的竞争磁相互作用。
• La3+掺杂通过改变局部晶体场并降低自旋几何阻挫，抑制了调制自旋结构。
• 计算得到的磁耦合结果证实了与实验观察到的自旋有序一致的强烈温度依赖性演变。