MAGNETOELECTRIC PROPERTIES OF Nd xBi 1-xFeO 3 MULTIFERROICS

Толық мәтін

В настоящее время большое внимание уделяется исследованию материалов с сильной взаимосвязью между электрическими и магнитными свойствами в связи с практическим интересом создания элементарной базы микроэлектроники [1; 2]. Мультиферрои-ки на основе BiFeO3 широко и интенсивно с исследуются как модельные объекты при изучении механизма взаимодействия между электрической и магнитной подсистем, так и для возможного использования их в спиновой электронике. В BiFeO3 существует пространственно модулированная антиферромагнитная структура с периодом 62 нм [3], которая исчезает при температуре Нееля TN = 643 K [4], а электрическая поляризация при ТС = 1 045 K [5]. 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 п-моде кислородный октаэдр становится асимметричным вдоль оси [111], сжатым с одной стороны и расширенным с другой, что приводит к неустойчивым фононным модам. Существуют и другие неустойчивые моды перовскитной ячейки, в которых поляризация направлена вдоль диагоналей граней или ребер куба [6]. 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 зависит от температуры, анизотропии и внешних электрических и магнитных полей. Замещение ионов висмута 4f элементами приведет к изменению кристаллической и магнитной структур, а небольшие концентрации замещения вызовут изменение поля анизотропии, параметра антисимметричного обмена. В результате возможен спин-переориентацион-ный переход. Замещение ионов висмута магнитными ионами неодима меняет магнитное поле анизотропии и величину обмена. Эти характеристики можно менять также под действием лазерного облучения, что дает дополнительный канал регулирования магнитоэлектрического эффекта. Цель данной работы - определить возможность ориентационных фазовых переходов в магнитной и электрической системах путем замещения висмута 4f ионом Nd в зависимости от температуры под действием внешнего магнитного поля. Диэлектрические свойства. На пленках NdxBi1-xFeO3 толщиной 160 нм проведены измерения диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь в интервале частот 100 Hz < ю < 105 Hz в области температур 300 К < T < 1 000 K без магнитного поля и в магнитном поле Н = 0,8 Тл. Температурное поведение диэлектрической проницаемости, нормированной на величину проницаемости при Т = 300 К, и тангенса угла потерь для NdxBi1-xFeO3 для состава с х = 0,1 изображены на рис. 1. Производная ds/dT обнаруживает несколько максимумов при температурах TN = 600 K и Т = 751 К и Т2 = 890 К. а б Рис. 1. Диэлектрическая проницаемость, нормированная на величину проницаемости при Т = 300 К (а), и тангенс угла потерь (б) для NdxBi1-xFeO3 для состава с х = 0,1 на частоте 104 Hz от температуры. Аппроксимация tg 5 суммой функцией Лоренца (2) и Гаусса (3) а б Рис. 2. Зависимости s(T)/s0, где s0 = s(T = 300 К) (а) без поля (1) и в магнитном поле (2). Магнитоемкость (s(H) - s(0))/s(0) (б) для Х = 0,1 на частоте ю = 105 Hz от температуры Замещение ионов висмута неодимом приводит к понижению температуры Нееля и к максимуму диэлектрических потерь в области магнитного фазового перехода. Температурная зависимость тангенса угла потерь хорошо аппроксимируется двумя функциями: Лоренцовской (сплошная линия) и Гауссовской (пунктирная рис. 1, б) функциями распределения с критическими температурами TN = 600 К и ТС = 1 000 К. Релаксация в диэлектрической системе происходит в результате передачи энергии в магнитную подсистему за счет магнитоупругого взаимодействия при TN. Релаксация при ТС реализуется в результате электрон-фононного взаимодействия. При температурах Т = 751 К и Т2 = 890 К, возможно, происходят изменения в кристаллической структуре. Температурные зависимости s(T) без поля и в магнитном поле приведены на рис. 2. Диэлектрическая проницаемость претерпевает скачок при Т = 394 К в магнитном поле и магнитоемкость (s(H) - s(0))/s(0) увеличивается на порядок по абсолютной величине. Этот эффект, возможно, обусловлен спин-переориен-тационным переходом и поворотом вектора поляризации с направления [111] к [110] в плоскость пленки. Это предположение подкрепляется качественно разной зависимостью тангенса угла потерь от температуры в поле и без поля (рис. 3). Во внешнем магнитном поле диэлектрическая релаксация резко растет с температурой, увеличивается в 1,5 раза и достигает максимума в области Т = 390 К. Понижение энергии в магнитной системе в магнитном поле в результате спин-фононного взаимодействия приводит к конденсации (к «замораживанию») новой фононной моды колебаний, которая ранее была метастабильна. а б Рис. 3. Тангенс угла диэлектрических потерь от температуры в поле (2) и без поля (1) (а). Относительное изменение диэлектрических потерь в магнитном поле от температуры (б) а б Рис. 4. Электроемкость NdxBi1-xFeO3 с х = 0,1 в поле (1) и без магнитного поля (2) (а) и магнитоемкость 8С = (в(И) - е(0))/е(0) от частоты при температуре Т = 300 К (б) 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 = 0,8 Тл (рис. 4). Диэлектрическая проницаемость монотонно уменьшается с ростом частоты на 50 %, а отрицательный магнитоемкостный эффект 5С = е(И) - е(0)/е(0) возрастает по модулю в три раза с 0,5 до 1,7 % при температуре Т = 300 К. Частотная зависимость 5С (со) = A® 1/n обнаруживает кроссовер по частоте от n = 2 при о < 103 Hz до n = 7. Тангенс угла диэлектрических потерь и его зависимость от магнитного поля уменьшаются с ростом частоты. Итак, замещение висмута неодимом приводит к понижению температуры антиферромагнитного и ферроэлектрического фазовых переходов по отношению к BiFeO3. В области высоких температур возможны структурные переходы, связанные с изменением кристаллической структуры. Найден рост магнитоемкостного эффекта с ростом частоты по степенному закону. Установлен скачок в диэлектрической проницаемости и максимум диэлектрических потерь в окрестности температуры Т = 394 К в магнитном поле Н = 0,8 Тл. Этот эффект объясняется в модели спин-переориентационного перехода изменением направления вектора поляризации в результате взаимодействия между электрической и магнитной подсистемами.

Авторлар туралы

S. Aplesnin

Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev

Email: apl@iph.krasn.ru

V. Kretinin

Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev

A. Ostapenko

Siberian State Aerospace University named after Academician M. F. Reshetnev

A. Galyas

United Institute of Solid State Physics and Semiconductors of the National Academy of Sciences of Belarus

K. Yanushkevich

United Institute of Solid State Physics and Semiconductors of the National Academy of Sciences of Belarus

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар