[论文解读] The beta to gamma (insulator-metal) transition in BiFeO3

Donna C. Arnold, Kevin S. Knight+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2009

Multiferroics and related materials参考文献 1被引用 62

一句话总结

本研究利用高温粉末中子衍射研究了BiFeO3中的β到γ相变，发现两种相均呈现正交对称性，未出现先前假设的对称性提升。在约930 °C附近发生的绝缘体-金属转变伴随轻微的体积收缩，γ相在约950 °C前保持稳定，随后分解为Bi2Fe4O9和液态Bi2O3，后者在约960 °C进一步分解。

ABSTRACT

High temperature powder neutron diffraction experiments have been conducted around the reported beta-gamma, insulator-metal phase transition (~ 930 C) in BiFeO3. The results demonstrate that while a small volume contraction is observed at the transition temperature, consistent with an insulator-metal transition, both the beta and gamma phase of BiFeO3 exhibit orthorhombic symmetry i.e. no further increase of symmetry occurs under the present experimental conditions, contrary to previous suggestions. Furthermore we observe the gamma orthorhombic phase to persist up to a temperature of approximately 950 C before complete decomposition into Bi2Fe4O9 (and liquid Bi2O3), which subsequently begins to decompose at approximately 960 C.

研究动机与目标

• 阐明BiFeO3在绝缘体-金属转变过程中β相和γ相的结构对称性。
• 解决先前相互矛盾的报告中关于β-γ转变时对称性提升的争议。
• 确定BiFeO3中γ相的热稳定性极限。
• 表征BiFeO3在高温下的相变行为及分解特性。

提出的方法

• 采用高温粉末中子衍射分析BiFeO3在相变区域的晶体结构。
• 在约930 °C的报告转变温度附近进行测量，以评估结构变化。
• 根据衍射数据确定β相和γ相的对称性与晶格参数。
• 通过监测至约960 °C的结构演变来评估热稳定性。
• 通过衍射图谱中检测到Bi2Fe4O9和液态Bi2O3的生成，识别相分解行为。
• 通过数据分析确认β相与γ相之间不存在对称性变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 BiFeO3中β到γ相变是否如先前所建议的那样发生晶体对称性变化？
• RQ2 BiFeO3在高温下γ相的精确结构特征是什么？
• RQ3 BiFeO3中γ相在何种温度开始分解？
• RQ4 BiFeO3中绝缘体-金属转变过程中的体积如何变化？
• RQ5 在950 °C以上，BiFeO3的分解产物是什么？

主要发现

• BiFeO3的β相和γ相均表现出正交对称性，相变过程中无对称性提升的证据。
• 在转变温度（约930 °C）发生轻微体积收缩，与绝缘体-金属转变一致。
• γ正交相在约950 °C前保持稳定，随后分解为Bi2Fe4O9和液态Bi2O3。
• Bi2Fe4O9的分解在约960 °C开始，表明γ相的最高热稳定性极限。
• 结果与早期关于BiFeO3中β-γ相变时发生对称性变化的主张相矛盾。
• 高温中子衍射证实了结构演变过程中无相对称性变化。