Магнитоэлектрические свойства мультиферроиков Nd xBiI_ xFeO 3

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 ТN = 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 π-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 Nd x Bi 1–x FeO 3 толщиной 160 нм проведены измерения диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь в интервале частот 100 Hz < ω < 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 Nd x Bi 1-x FeO 3 для состава с х = 0,1 изображены на рис. 1. Производная dε/d T обнаруживает несколько максимумов при температурах T_N = 600 K и Т 1 = 751 К и Т 2 = 890 К.

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 Т N = 600 К и Т С = 1 000 К. Релаксация в диэлектрической системе происходит в результате передачи энергии в магнитную подсистему за счет магнитоупругого взаимодействия при Т_N . Релаксация при Т С реализуется в результате электрон-фононного взаимодействия. При температурах Т ₁ = 751 К и Т ₂ = 890 К, возможно, происходят изменения в кристаллической структуре.

Температурные зависимости ε( T ) без поля и в магнитном поле приведены на рис. 2. Диэлектрическая проницаемость претерпевает скачок при Т = 394 К в магнитном поле и магнитоемкость (ε( Н ) – ε(0))/ε(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.

Рис. 1. Диэлектрическая проницаемость, нормированная на величину проницаемости при Т = 300 К ( а ), и тангенс угла потерь ( б ) для Nd_xBi_1-xFeO₃ для состава с х = 0,1 на частоте 10 ⁴ Hz от температуры.

Аппроксимация tg δ суммой функцией Лоренца (2) и Гаусса (3)

Рис. 2. Зависимости ε( T )/ε₀, где ε₀ = ε( T = 300 К) ( а ) без поля (1) и в магнитном поле (2). Магнитоемкость (ε( Н ) – ε(0))/ε(0) ( б ) для Х = 0,1 на частоте ω = 10 ⁵ Hz от температуры

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 )

б

Рис. 4. Электроемкость Nd_xBi_1-xFeO₃ с х = 0,1 в поле (1) и без магнитного поля (2) ( а ) и магнитоемкость δ _С = (ε(H) – ε(0))/ε(0) от частоты при температуре Т = 300 К ( б )

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.

На пленках Nd_xBi_1-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 δ С = 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 δ С (ω) = Aω ^1/n обнаруживает кроссовер по частоте от n = 2 при ω < 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 BiFeO 3 . 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.