[论文解读] Structural Origin of the Metal-Insulator Transition of Multiferroic BiFeO3

Simon A. T. Redfern, Joanna N. Walsh+3 more|ArXiv.org|Jan 23, 2009

Multiferroics and related materials参考文献 6被引用 9

一句话总结

本研究通过高温高压X射线衍射，揭示了多铁性BiFeO3中金属-绝缘体（MI）转变的结构起源。研究证明，金属γ相为立方相（Pm3m），而非菱方相，且MI转变是一种二级带型转变，由立方相中的半金属能带重叠驱动，而非莫特转变或自旋态变化。

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.

研究动机与目标

• 解决长期以来关于BiFeO3中金属相晶体结构的争议。
• 确定BiFeO3中金属-绝缘体（MI）转变是由电子关联作用（类似莫特转变）驱动，还是由能带结构效应引起。
• 阐明在温度和压力条件下结构相序的演变，特别是β相和γ相的性质。
• 区分Fe3+离子的高自旋（S=5/2）与低自旋（S=1/2）状态是否为MI转变的起源。
• 利用原位X射线衍射，为多铁性BiFeO3中MI转变机制提供确凿的结构证据。

提出的方法

• 在高温（最高达931 °C）和高压（最高达45 GPa）条件下对BiFeO3进行原位X射线衍射。
• 通过结构精修确定高温高压下金属相的晶体对称性。
• 将实验数据与Arnold等人（2009年）的中子衍射结果进行对比，验证β相为正交相Pbnm。
• 通过分析晶格参数和键长的变化，推断电子结构的演变。
• 通过对比结构趋势与磁性和电子模型，评估Fe3+自旋态转变（S=5/2与S=1/2）的作用。
• 通过分析立方相中的能带重叠，评估MI转变作为能带型过程的性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高温高压条件下，BiFeO3中金属γ相的真实晶体结构是什么？
• RQ2 BiFeO3中的金属-绝缘体转变是由电子关联作用（如莫特转变）驱动，还是由半金属能带重叠引起的能带型转变？
• RQ3 该转变是否涉及Fe3+离子自旋态的变化（从高自旋S=5/2变为低自旋S=1/2）？
• RQ4 在温度和压力作用下，结构序列（α → β → γ）如何演变，β相的对称性是什么？
• RQ5 金属-绝缘体转变是二级还是一级，其性质由哪些结构参数控制？

主要发现

• 在高温高压条件下，BiFeO3的金属γ相为立方相，空间群为Pm3m，而非菱方相。
• 金属-绝缘体转变为二级或近乎二级，表明结构与电子结构的连续演化。
• 该转变是能带型机制，由立方Pm3m相中的半金属能带重叠驱动，而非莫特转变。
• 在中等温度和压力下观察到的β相，被明确确认为正交相，空间群为Pbnm，解决了先前的争议。
• 没有证据表明Fe3+离子的高自旋（S=5/2）到低自旋（S=1/2）转变是MI转变的起源。
• 在压力和温度作用下的结构演化支持一种连续的、由对称性驱动的转变，而非一级相变。