MAGNITOELECTRICAL PROPERTIES OF NdxBi1-xFeO3 MULTIFERROICS

Full Text

Введение. В настоящее время большое внимание уделяется вопросам обеспечения качества и надежности ракетно-космической техники. Перед разработчиками стоит задача увеличения сроков действия электронных приборов, размещенных на открытой платформе космического аппарата. Электронные устройства должны быть устойчивы к воздействию космического излучения и функционировать с минимальным потреблением электроэнергии. В качестве перспективных материалов для элементной базы микроэлектроники могут быть использованы мультиферроики на основе феррита висмута. В результате это преведет к повышению эксплуатационных характеристик изделий и расширению спектра их функционального назначения в аэрокосмической отрасли. Пространственно-модулированная антиферромагнитная структура в BiFeO3 имеет период 62 нм [1]. При температуре Нееля ТN = 643 K она исчезает [2], а электрическая поляризация - при ТС = 1045 K [3]. Взаимосвязь спиновой циклоиды и поляризации осуществляется за счет антисимметричного обмена Дзялошинского-Мория. Смещение ионов в BiFeO3 вдоль оси [111] описывается полярным параметром порядка и характеризуется вектором электрической поляризации. При смещении ионов кислорода в π-моде кислородный октаэдр становится асимметричным вдоль оси [111], сжатым с одной стороны и расширенным - с другой, что приводит к неустойчивым фононным модам [4]. Существуют и другие неустойчивые моды, характерные для перовскитной ячейки, в которых поляризация направлена вдоль диагоналей граней или ребер куба [5]. В эпитаксиальных пленках с тетрагональной кристаллической структурой электрическая поляризация направлена вдоль оси [001], а в орторомбической - вдоль [110]. Магнитная структура, период спиновой циклоиды и, соответственно, вектор поляризации зависят от температуры, анизотропии и внешних электрических и магнитных полей. Замещение ионов висмута другими элементами приводит к изменению кристаллической и магнитной структур [6; 7]. Выявлены изменения оптических свойств в системах LaxBi1-xFeO3 и GdxBi1-xFeO3 [8; 9]. Замещение ионов висмута ионами La, Nd, Gd приводит к заметным изменениям диэлектрических свойств [10; 11]. При этом даже небольшие концентрации замещения способны вызвать изменение поля анизотропии и параметра антисимметричного обмена. В результате, велика вероятность проявления спин-переориентационного пере-хода. Замещение ионов висмута магнитными ионами неодима влияет на магнитную анизотропию и величину обменных взаимодействий [12; 13]. Эти характеристики можно изменять также под воздействием лазерного облучения, что дает дополнительный канал управления магнитоэлектрическим эффектом. Цель данной работы - определить возможность проявления ориентационных фазовых переходов в магнитной и электрической подсистемах BiFeO3 под воздействием температуры и внешних магнитных полей путем замещения висмута 4f ионом неодима. Результаты эксперимента и обсуждение. Измерения диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь в интервале частот 100 Hz < ω < 105 Hz в области температур 300 К < T < 450 K без магнитного поля и в магнитном поле Н = 8 кЭ проведены на пленках NdxBi1-xFeO3 толщиной 160 нм. Температурные зависимости нормированной проницаемости ε(T)/ε0, где ε0 = ε(T = 300 К) без поля и в магнитном поле, приведены на рис. 1. Из представленных зависимостей ε/ε0 = f(T) следует, что замещение висмута ионами неодима приводит к увеличению магнитоемкости при комнатной температуре, по сравнению с ферритом висмута (рис. 1, б). Величина магнитоемкости для пленки NdxBi1-xFeO3 совпадает со значением для объемных образцов для состава с концентрацией х = 0,1 [14]. Диэлектрическая проницаемость пленки обнаруживает скачок при Т = 394 К без магнитного поля, и магнитоемкость (ε(Н) - ε(0))/ε(0) уменьшается в несколько раз. Температурное поведение диэлектрической проницаемости на частоте 100 кГц качественно отличается. Наблюдается монотонный рост электроемкости (рис. 2, а). Магнитоемкость незначительно возрастает в области комнатных температур и быстро уменьшается с ростом температуры, проходит через минимум при Т = 382 К и снова растет. В результате с ростом частоты температура минимума сдвигается в сторону низких температур. Этот эффект, возможно, обусловлен перестройкой ферроэлектрической доменной структуры, образованной 71 доменами. Это предположение подкреплено различиями в зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь от температуры в поле и без поля (рис. 3). Во внешнем магнитном поле диэлектрическая релаксация плавно убывает и достигает минимума при Т = 375 К. Относительное уменьшение диэлектрических потерь в магнитном поле H = 8 кЭ составляет 50 % при температуре Т = 390 К. Одним из возможных механизмов является уменьшение плотности ферроэлектрических доменных стенок в магнитном поле при этой температуре, что обусловливает уменьшение магнитоэлектрической связи. С увеличением частоты диэлектрические потери в магнитном поле возрастают. На рис. 4 приведено изменение тангенса угла диэлектрических потерь на частоте 100 кГц в пленке NdxBi1-xFeO3. Магнитная восприимчивость на пленке имеет небольшой максимум при Т = 300 К, который связан или с магнитными доменами, или с перестройкой доменной структуры. Диэлектрические потери в магнитном поле умень-шаются. При отсутствии магнитного поля они увеличиваются с повышением температуры. Значения тангенсов угла диэлектрических потерь в поле и без поля совпадают при Т = 375 К. На пленках NdxBi1-xFeO3 проведены измерения диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь в зависимости от частоты при температуре Т = 300 К без магнитного поля и в магнитном поле Н = 8 кЭ. Диэлектрическая проницаемость монотонно уменьшается с ростом частоты на 50 %, а магнитоемкостный эффект δС = ε(H) - ε(0)/ε(0) возрастает по модулю в три раза с 0,5 до 1,7 % при температуре Т = 300 К. Частотная зависимость δС (ω) = A/ω1/n обнаруживает кроссовер по частоте от n = 2 при ω < 103 Гц до n = 7. а б Рис. 1. Температурные зависимости ε(T)/ε0 (а), где ε0 = ε(T = 300 К) в магнитном поле (1) и без поля (2); магнитоемкость (ε(Н) - ε(0))/ε(0) для х = 0,1 на частоте ω = 104 Гц (б) 2 1 а б Рис. 2. Температурные зависимости электроемкости пленки NdxBi1-xFeO3 (х = 0,1) в магнитном поле (1) и без поля (2) (а); магнитоемкость (ε(Н) - ε(0)) / ε(0) для х = 0,1 на частоте ω = 105 Гц (б) Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от частоты в поле и без поля представлены на рис. 5. До 3 кГц тангенс угла потерь описывается степенной зависимостью tg δ = B/ ωα , где показатель степени уменьшается от α = 0,74 без поля до α = 0,65 в магнитном поле. Мнимая часть диэлектрической проницаемости Im(ε) = tgα Re(ε) ~ 1/ ωβ до 3 кГц имеет показатель 1,2-1,3 и описывается в модели Дебая, а при более высоких частотах β ~ 1 и проводимость описывается в модели Мотта σ ~ ω2 с прыжковым типом проводимости. Изучение удельной намагниченности пленки NdxBi1-xFeO3 состава с концентрацией х = 0,1 проведено в магнитном поле Н = 8,6 кЭ в интервале температур 77-1100 К пондеромоторным методом (рис. 6) [15]. Величина магнитного момента μ в единицах магнетона Бора μВ связана с удельной намагниченностью σ, измеренной в единицах А·м2·кг-1 = Гс·см3·г-1 ≈ ≈ Emu·gr-1 соотношением где s - удельная намагниченность; μB - величина магнетона Бора; NA - число Авогадро; M - молекулярный вес. В таблице приведены значения магнитного момента для ряда температур, определенные из температурной зависимости на рис. 6. а б Рис. 3. Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от температуры в поле (1) и без поля (2) (а); относительное изменение диэлектрических потерь от температуры пленки NdxBi1-xFeO3 в магнитном поле для х = 0,1 на частоте ω = 104 Гц (б) Рис. 4. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь пленки NdxBi1-xFeO3 от температуры в поле (1) и без поля (2) для х = 0,1 на частоте ω = 105 Гц а б Рис. 5. Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь NdxBi1-xFeO3 с х = 0,1 в поле (1) и без магнитного поля (2) (а); изменение тангенса угла потерь в магнитном поле (tg(H) - tg(0)) /tg(0) от частоты при температуре Т = 300 К (б) Значения средних величин магнитных моментов пленки (Bi0,9Nd0,1)FeO3 для конкретных температур Т, К 110 140 210 300 370 400 500 600 700 1000 µ, µВ 1,11 1,09 0,65 0,92 0,90 0,89 0,67 0,35 0,32 0,24 Рис. 6. Температурная зависимость удельной намагниченности тонкой пленки NdxBi1-xFeO3 (х = 0,1) в магнитном поле напряженностью Н= 8,6 кЭ На зависимости σ = f(T) пленки (Bi0,9Nd0,1)FeO3 наблюдаются три небольшие аномалии в виде максимумов при Т = 140, 210 и 300 К с соответствующими им магнитными моментами. Первые два максимума на зависимости σ = f(T) обусловлены, вероятнее всего, ориентационными переходами. При 300 К имеет место перестройка в доменной структуре (109 доменов). Ярко выраженных особенностей и изменений намагниченности пленки Nd0,1Bi0,09FeO3 в интервале температур 370-400 К, где имеет место минимум магнитоемкости и резкое уменьшение диэлектрических потерь в магнитном поле, не наблюдается. Магнитный момент в этом интервале температур µ ≈ 0,9µВ = = const. Магнитоэлектрические эффекты в этой области температур могут быть обусловлены либо перестройкой ферроэлектрических доменов, либо вкладом в изменение подвижности электронов в магнитном поле. Для подтверждения этого предположения необходимо проведение измерений электросопротивления в магнитном поле. Уменьшение магнитного момента у пленки (Bi0,9Nd0,1)FeO3, до величины µ ≈ 0,35µВ и выход на плато при Т ~ 600 К вызвано, вероятнее всего, магнитным фазовым превращением, свойственным для BiFeO3 вблизи этой температуры. Заключение. Замещение висмута ионами неодима в BiFeO3 в количестве 10 % с ростом частоты приводит к увеличению магнитоемкостного эффекта по степенному закону. Уменьшение диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь пленок (Bi0,9Nd0,1)FeO3 в области температур 375-394 К в магнитном поле с индукцией В = 0,8 Тл обусловлено перестройкой ферроэлектрических доменов либо изменениями в спектре электронов проводимости. В указанном интервале температур аномалий в изменении величины магнитного момента пленок (Bi0,9Nd0,1)FeO3 не обнаружено.

About the authors

S. S. Aplesnin

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

V. V. Kretinin

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

V. V. Korolev

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

A. M. Zhivulko

Scientific-Practical Materials Research Center NAS

Email: alyona_panasevich@mail.ru
19, P. Brovki Str., Minsk, 220072, Belarus

K. I. Yanushkevich

Scientific-Practical Materials Research Center NAS

19, P. Brovki Str., Minsk, 220072, Belarus

References

Supplementary files