Магнитоэлектрические свойства мультиферроиков NdxBi1-xFeO3

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 Т_N = 643 K она исчезает [2], а электрическая поляризация - при Т_С = 1045 K [3]. Взаимосвязь спиновой циклоиды и поляризации осуществляется за счет антисимметричного обмена Дзя-лошинского-Мория. Смещение ионов в BiFeO₃ вдоль оси [111] описывается полярным параметром порядка и характеризуется вектором электрической поляризации. При смещении ионов кислорода в л-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 La x Bi_1-xFeO₃ и Gd_xBi_1-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 перехода. 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 4 f ионом неодима.

Результаты эксперимента и обсуждение. Измерения диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь в интервале частот 100 Hz < ю < 105 Hz в об ласти 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 е( T )/e₀, где е₀ = е( T = 300 К) без поля и в магнитном поле, приведены на рис. 1. Из представленных зависимостей е/е₀ = 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 Nd_xBi_1-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 (е( Н ) - е(0))/е(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 Nd_xBi_1-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 уменьшаются. 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 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 = 8 кЭ. Диэлектрическая проницаемость монотонно уменьшается с ростом частоты на 50 %, а магнитоемкостный эффект 5_С = е( H) - е(0)/е(0) возрастает по модулю в три раза с 0,5 до 1,7 % при температуре Т = 300 К. Частотная зависимость 5_С (ю) = A/ю¹ n обнаруживает кроссовер по частоте от n = 2 при ю < 10 3 Гц до n = 7.

1 H=0.8

2 H=0

1,04

1,02

1,00

300       350       400       450

0,98

T, K

T, K

а

б

Рис. 1. Температурные зависимости £( T )/£₀ ( а ), где £ 0 = £( T = 300 К) в магнитном поле ( 1 ) и без поля ( 2 ); магнитоемкость (£( Н) - £(0))/£(0) для х = 0,1 на частоте ю = 10 4 Гц ( б )

а

б

Рис. 2. Температурные зависимости электроемкости пленки Nd x Bi_1-xFeO₃ ( х = 0,1) в магнитном поле ( 1 ) и без поля ( 2 ) ( а ); магнитоемкость (£( Н ) - £(0)) / £(0) для х = 0,1 на частоте ю = 10 5 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 5 = В/ юа , где показатель степени уменьшается от а = 0,74 без поля до а = 0,65 в магнитном поле. Мнимая часть диэлектрической проницаемости Im(£) = tga Re(£) ~ 1/ юр до 3 кГц имеет показатель 1,2-1,3 и описывается в модели Дебая, а при более высоких частотах р ~ 1 и проводимость описывается в модели Мотта о ~ ю2 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 темпе ратур 77-1100 К пондеромоторным методом (рис. 6) [15]. Величина магнитного момента р. в единицах магнетона Бора рВ связана с удельной намагниченностью о, измеренной в единицах А^м2^кг-1 = Гсюм3т-1 = = Emu^gr-1 соотношением

Ц =

ст- M

N A

В в ,

где ст - удельная намагниченность; р_в - величина магнетона Бора; N A - число Авогадро; M - молекулярный вес.

В таблице приведены значения магнитного момента для ряда температур, определенные из температурной зависимости на рис. 6.

tg S

Рис. 3. Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от температуры в поле ( 1 ) и без поля ( 2 ) ( а ); относительное изменение диэлектрических потерь от температуры пленки Nd x Bi_1-xFeO₃ в магнитном поле для х = 0,1 на частоте ю = 10 4 Гц ( б)

Рис. 4. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь пленки Nd_xBi_1-xFeO₃ от температуры в поле ( 1 ) и без поля ( 2 ) для х = 0,1 на частоте ю = 10 5 Гц

б

Рис. 5. Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь Nd_xBi_1-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 (Bi 0, ₉Nd₀ ,1 )FeO₃ для конкретных температур

Т , К	110	140	210	300	370	400	500	600	700	1000
Ц, Ц в	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 Nd x Bi_1-xFeO₃ ( х = 0,1) в магнитном поле напряженностью Н = 8,6 кЭ

На зависимости с = fT) пленки (Bi₀ _ ₉Nd_0-1)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 с = 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 Nd_0i1Bi₀ , 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 ц = 0,9ц_в = = 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 _ ₉Nd_0-1)FeO₃, до величины ц = 0,35ц_в 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_9Nd()_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 изме нении величины магнитного момента пленок (Bi0_9Nd0-1)FeO3 не обнаружено.