[论文解读] A-Site Cation disorder and Size variance effects on the physical properties of multiferroic Bi0.9RE0.1FeO3 Ceramics (RE =Gd3+,Tb3+,Dy3+)

T. Karthik, T. Durga Rao+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2012

Multiferroics and related materials参考文献 1被引用 15

一句话总结

本研究探讨了Gd³⁺、Tb³⁺和Dy³⁺掺杂引起的A位阳离子无序及离子尺寸差异对Bi0.9RE0.1FeO3陶瓷的结构、光学、磁性和电学性质的影响。研究揭示了结构相分离、FeO6八面体的不稳定化、通过Dzyaloshinskii-Moriya相互作用增强的弱铁磁性，以及电荷载流子浓度降低，所有这些现象均与稀土离子尺寸不匹配引起的内应力化学压力有关。

ABSTRACT

Effect of an internal chemical pressure on structural, optical, magnetic and electrical properties in Bi0.9RE0.1FeO3 Ceramics (RE =Gd3+,Tb3+,Dy3+)has been studied extensively. Some of the highlights are as follows; 1. Coexistence of orthorhombic Bragg reflections along with the R3c phase.(Structural Phase separation revealed from XRD and Raman spectroscopy) 2. Selective softening of phonon mode corresponding to oxygen motion suggests a significant destabilization in the FeO6 octahedra. 3. Three Charge transfer transitions (Fe1 3d ightarrow Fe2 3d, Op ightarrow Fed,Op ightarrow Bip) and a doubly degenerate d-d transition (6A1g ightarrow 4T2g) have been observed through optical studies. 4. The suppression of spiral spin structure release the macroscopic magnetization so called weak ferromagnetism in RE-BFO samples and expalined by presence of DM interaction 5. Heat flow measurement reveals a decrease in Neel transition temperature (TN) with RE3+-ion substitution endorses the suppression of antiferromagnetic ordering. Present results also provide an 6. A decrease in vacant sites was confirmed from the lower density of states N(Ef) of charge carriers in RE-BFO samples, further it also correlates well with the hopping length (Rmin) and conductivity studies. All the results are well correlated.

研究动机与目标

• 理解A位阳离子无序与离子尺寸差异对多铁性Bi0.9RE0.1FeO3陶瓷物理性质的影响。
• 研究稀土掺杂（Gd³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺）如何诱导内应力化学压力，并改变其结构、磁性和电学行为。
• 将结构畸变与光学跃迁、磁有序性和电荷载流子动力学的变化相关联。
• 阐明Dzyaloshinskii-Moriya相互作用在这些多铁体系中实现弱铁磁性的角色。
• 评估稀土离子尺寸对Neél温度抑制及缺陷化学的影响。

提出的方法

• 采用X射线衍射（XRD）和拉曼光谱检测结构相分离与晶格畸变。
• 利用光学吸收光谱识别掺杂铋铁氧体体系中的电荷转移与d-d电子跃迁。
• 通过量热测量确定稀土取代对Neél温度（TN）的抑制效应。
• 分析费米能级处的态密度（N(Ef)）与跳跃长度（Rmin），以评估电荷载流子浓度与导电机制。
• 应用Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用理论解释反铁磁BiFeO3中弱铁磁性的出现。
• 系统比较三种稀土掺杂剂（Gd³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺）的结构与电子响应，以分离尺寸与无序效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 A位阳离子无序与RE3+掺杂引起的离子尺寸差异如何影响Bi0.9RE0.1FeO3陶瓷的结构相稳定性？
• RQ2 内应力化学压力在何种程度上导致FeO6八面体不稳定化并改变声子模式？
• RQ3 光学谱中的电荷转移与d-d跃迁如何反映稀土掺杂引起的电子结构变化？
• RQ4 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用在这些多铁体系中对观测到的弱铁磁性贡献有多大？
• RQ5 稀土离子尺寸如何影响Bi0.9RE0.1FeO3中Neél温度的抑制与电荷载流子浓度？

主要发现

• 正交晶系的Bragg衍射峰与R3c相共存，表明存在结构相分离，经XRD与拉曼光谱证实。
• 氧相关声子模式的选择性软化揭示了由于内应力化学压力导致FeO6八面体显著不稳定化。
• 光学研究识别出三种电荷转移跃迁（Fe1 3d → Fe2 3d，O p → Fe d，O p → Bi p）及一个简并的d-d跃迁（6A1g → 4T2g）。
• 螺旋自旋结构的抑制导致可观测的弱铁磁性，其成因可归因于Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的存在。
• 量热测量显示，随着RE3+掺杂量增加，Neél温度（TN）降低，证实了反铁磁有序性的抑制。
• 费米能级处态密度（N(Ef)）降低与跳跃长度（Rmin）减小，证实了空位与电荷载流子浓度的减少，与电导率数据一致。