CC BY
45
УДК 539.21: 538.911
Вестник СибГАУ Том 17, № 2. С. 289-294
МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МУЛЬТИФЕРРОИКОВ NdxBi1-xFeO3
С. С. Аплеснин1, В. В. Кретинин1, В. В. Королев1, А. М. Живулько2*, К. И. Янушкевич2
1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнёва Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Научно-практический центр ПАИ Беларуси по материаловедению Беларусь, 220072, г. Минск, ул. Петруся Бровки, 19 E-mail: [email protected]
На пленках (Bi0?gNd0j)FeO3 ~ толщиной 160 нм на подложке из стекла в интервале частот 100 Гц < т < 105 Гц в области температур 300 К < T < 450 K выполнены исследования диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь без магнитного поля и в магнитном поле с индукцией В = 0,8 Тл. Установлено, что магнитоемкостъ пленки (Bi0,9Nd0,1)FeO3 имеет величину как и для объемных образцов. Наличие неодима в пленках (Bi0,9Nd0,1)FeO3 приводит к увеличению магнитоемкости при комнатной температуре, по сравнению с BiFeO3. В отсутствие магнитного поля диэлектрическая проницаемость пленки имеет аномалию при Т = 394 К, и магнитоемкостъ (е(Н) — е(0))/е(0) уменьшается в несколько раз.
По результатам изучения температурных зависимостей удельной намагниченности определены значения величин магнитного момента пленок (Bi09 Nd0?1)FeO3 для широкого диапазона температур. Установлено, что в диапазоне температур ~ 80-1000 К величина магнитного момента пленок (Bi09 Nd01)FeO3 уменьшается от значения f =1,11 Дд до f = 0,24 ¡ив. В интервале температур 370-400 К, где имеет место минимум магнитоемкости и резкое уменьшение диэлектрических потерь в магнитном поле, магнитный момент исследуемых пленок имеет величину f ~ 0,9fB = const. Уменьшение магнитного момента у пленки (Bi0?9Nd0j)FeO3 до величины f ~ 0,35fB и выход на плато при Т ~600 К вызвано, вероятнее всего, магнитным фазовым превращением, свойственным для BiFeO3 вблизи этой температуры.
Ключевые слова: мультиферроики, магнитоемкостъ, релаксация, диэлектричекая проницаемость.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 2, P. 289-294
MAGNITOELECTRICAL PROPERTIES OF NdxBi1-xFeO3 MULTIFERROICS
S. S. Aplesnin1, V. V. Kretinin1, V. V. Korolev1, A. M. Zhivulko2*, K. I. Yanushkevich2
1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Scientific-Practical Materials Research Center NAS 19, P. Brovki Str., Minsk, 220072, Belarus E-mail: [email protected]
On (Bi0.9Ndgj)FeO3 films deposited on a glass substrate with ~ 160 nm thickness in a 100 Hz < m < 105 Hz frequency range and the temperature range of300 K < T < 450 K are carried out studies of permittivity and dielectric loss tangent without magnetic field and in the magnetic field with induction of B = 0.8 Tesla. It was found that magnetocapacitance of the (Bi09Ndg.1)FeO3 film has the same value as for bulk samples. The presence of the neodymium in the (Bi09Ndg.1)FeO3 films increases magnetocapacitance value at room temperature in comparison with BiFeO3. In the conditions of magnetic field absence a film permittivity has an anomaly at T = 394 K and magnetocapacitance (s(H) - s(0))/ s(0) reduces in several times.
Using the results of the temperature dependences of the specific magnetization study are determined the values of the (Big9Nd0 ¡)FeO3 films magnetic moment in a wide temperatures range. It was found that in the temperature range of ~ 80-1000 K the magnitude of the magnetic moment of the (Bi0 9Ndo.1)FeO3 films decreases from the value of ^ = 1.11 Дд to ^ = 0.24 In the 370-400 K temperature range, where we have a magnetocapacitance minimum and a sharp decreasing of the dielectric loss in the magnetic field, the magnetic moment of studied films has a value ^ ~ 0.9 Дв = const. The reduction of the magnetic moment value of the (Bi09Ndo.1)FeO3 film up to 0.35 Дд and output to the plateau at T ~600 K is most likely due by the magnetic phase transition peculiar to BiFeO3 near this temperature.
Keywords: multiferroics, magnetocapacitance, relaxation, permittivity.
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 В1БеОз имеет период 62 нм [1]. При температуре Нееля Т^ = 643 К она исчезает [2], а электрическая поляризация - при Тс = 1045 К [3]. Взаимосвязь спиновой циклоиды и поляризации осуществляется за счет антисимметричного обмена Дзя-лошинского-Мория. Смещение ионов в В1БеО3 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 ортором-бической - 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 ЬахВ11-хБеО3 и ОёхВ11-хРеО3 [8; 9]. Замещение ионов висмута ионами Ьа, Оё 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 В1БеО3 под воздействием температуры и внешних магнитных полей путем замещения висмута 4/ионом неодима.
Результаты эксперимента и обсуждение. Измерения диэлектрической проницаемости, тангенса угла потерь в интервале частот 100 Н < ю < 105 Н в об-
ласти температур 300 К < Т < 450 К без магнитного поля и в магнитном поле Н = 8 кЭ проведены на пленках №хВ11-хРеО3 толщиной 160 нм.
Температурные зависимости нормированной проницаемости е(Т)/е0, где е0 = е(Т = 300 К) без поля и в магнитном поле, приведены на рис. 1. Из представленных зависимостей е/е0 = /(Т) 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 КёхВ11-хРеО3 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 (в(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 Н = 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 №хВ11-хРеО3. 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 №хВ11-хГеО3 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 магнитоемкост-ный эффект 5С = е(Н) - е(0)/е(0) возрастает по модулю в три раза с 0,5 до 1,7 % при температуре Т = 300 К. Частотная зависимость 5с (<в) = Л/ю1/и обнаруживает кроссовер по частоте от п = 2 при ю < 103 Гц до п = 7.
1,04-
1,02
1,00-
0,98-
300
350
400
0,020
0,015-
0,010-
0,005
450
0,000 300
350
400
450
т, к
т, к
Рис. 1. Температурные зависимости 8(7)/е0 (л), где е0 = е(Г = 300 К) в магнитном поле (/) и без поля (2); магнитоемкость (е(й) - е(0))/е(0) для х = 0,1 на частоте ю = 104 Гц (б)
13,8
13,6-
13,4
О
13,2-
13,0
■ 1 Н=8 □ 2 Н=0
0,020-1
со
С?
со
I
:л
со
0,015-
0,010
300
350
400
450
0,005
300
350
400
450
т, к
т, к
Рис. 2. Температурные зависимости электроемкости пленки ЫёхБ11 хРе03 (х = 0,1) в магнитном поле (/) и без поля (2) (я); магнитоемкость (е(Н) - е(0)) / е(0) для х = 0,1 на частоте ю = 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 5 = Б/ ю" , где показатель степени уменьшается от а = 0,74 без поля до а = 0,65 в магнитном поле. Мнимая часть диэлектрической проницаемости 1ш(е) = tga Яе(е) ~ 1/ ю13 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 №хБ11-хБе03 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 р.в связана с удельной намагниченностью о, измеренной в единицах А-м2-кг-1 = Гссм3-г-1 = ~ Бши^г-1 соотношением
■М
Ма
Б,
где а - удельная намагниченность; р.Б - величина магнетона Бора; - число Авогадро; М - молекулярный вес.
В таблице приведены значения магнитного момента для ряда температур, определенные из температурной зависимости на рис. 6.
■ 1 Н=0.8 -О- 2 Н=0
Г
в о та
□ /
ЙЧ / □ ф Зс
□ ж | ж
1 Ж им
300
350
400
0,0-
-0,2-
-0,4-
450
300
350
400
450
т, К
т, К
Рис. 3. Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от температуры в поле (1) и без поля (2) (я); относительное изменение диэлектрических потерь от температуры пленки хРеО3 в магнитном поле для х = 0,1 на частоте ю = 104 Гц (б)
Т, К
Рис. 4. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь пленки ЫёхБ11 хРеО3 от температуры в поле (1) и без поля (2) для х = 0,1 на частоте ю = 105 Гц
ш, Нг Нг
Рис. 5. Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь ЫёхБ11 хРеО3 с х = 0,1 в поле (1) и без магнитного поля (2) (я); изменение тангенса угла потерь в магнитном поле ^(Я) - tg(0)) Л^(0) от частоты при температуре Т = 300 К (б)
Значения средних величин магнитных моментов пленки (Б10,9М0д)ЕеО3 для конкретных температур
Г, к 110 140 210 300 370 400 500 600 700 1000
И, Ив 1,11 1,09 0,65 0,92 0,90 0,89 0,67 0,35 0,32 0,24
20-
15-
ГО
Е
w 104 а
5
(Bi0.,Nd0.,XFeO3)
200
400
600 T, K
800
1000
Рис. 6. Температурная зависимость удельной намагниченности тонкой пленки хРе03 (х = 0,1) в магнитном поле напряженностью Н= 8,6 кЭ
На зависимости о = f(T) пленки (Bi09Nd0,1)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 о = 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 магнито-емкости и резкое уменьшение диэлектрических потерь в магнитном поле, не наблюдается. Магнитный момент в этом интервале температур ц = 0,9цв = = 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 ц = 0,35цв 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 (Bi09Nd01)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.
Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ № 15-42-04099 р_сибирь_а и Государственного задания №114090470016.
Библиографические ссылки
1. Аплеснин С. С. Основы спинтроники. СПб. : Лань, 2010. 283 с.
2. Волков И. В. Спинтроника: магнитные туннельные структуры на основе манганитов // УФН. 2012. Т. 182, № 3. С. 263-285.
3. Пятаков А. П., Звездин А. К. Магнитоэлектрические материалы и мультиферроики // УФН. 2012. Т. 182, № 6(11). С. 583-620.
4. Макоед И. И. Получение и физические свойства мультиферроиков. Брест. : БрГУ, 2009. 181 с.
5. Temperature dependence of the crystal and magnetic structures of BiFeO3 / P. Fisher [et al.] // J. Phys. C: Solid State Phys. 1980. Vol. 1/3. P. 1931.
6. Получение и магнитные свойства мультиферроиков RexBi1-xFeO3 (Re = La, Nd, Gd) / А. Ф. Ревин-ский [и др.] // Сборник докладов Междунар. науч. конф. ФТТ-2011. Минск, 2011. Т. 2. С. 10-12.
7. Панасевич А. М. Особенности кристаллического упорядочения мультиферроиков на основе BiFeO3, допированных редкоземельными элементами // Сборник тезисов 13-й Всеукраинской школы-семинара по статистической физике и теории конденсированных сред. Львов, 2013. С. 40.
8. Распределение спиновой плотности и оптические свойства мультиферроиков LaxBi1-xFeO3 / А. Ф. Ревинский [и др.] // Техника и технологии:
0
инновации и качество : материалы Междунар. науч.-практ. конф. Барановичи, 2007. С. 57-61.
9. Диэлектрические и оптические свойства гадо-линий-замещенного феррита висмута / А. Ф. Ревин-ский [и др.] // Известия РАИ. Серия физическая. 2013. Т. 77, № 3. С. 390-392.
10. Диэлектрические свойства тонких пленок мультиферроиков Bi1-xRxFeO3 (R = La, Nd, Gd) / А. Ф. Ревинский [и др.] // Современные научные проблемы и вопросы преподавания теоретической и математической физики, физики конденсированных сред и астрономии : сб. материалов IV Республиканской научно-методической конференции. Брест, 2012. С. 84-86.
11. Мухортов В. М., Головко Ю. И., Юзюк Ю. И. Гетероэпитаксиальные пленки мультиферроика феррита висмута, допированного неодимом // УФН. 2009. T. 179, № 8. С. 909-913.
12. Слабый ферромагнетизм и распределение спиновой плотности в тонких пленках твердых растворов GdxBi1_xFeO3 / А. Ф. Ревинский [и др.] // Известия РАИ. Серия физическая. 2014. Т. 78, № 8. С. 917-920.
13. Магнитные свойства мультиферроиков, синтезированных на основе BiFeO3 / А. Ф. Ревинский [и др.] // Среды со структурным и магнитным упорядочением : тр. III Междунар. междисциплинарного симпозиума (Multiferroics-3). Ростов-на-Дону, 2011. С. 142-147.
14. Микроструктура, мессбауэровский эффект, диэлектрические и магнитоэлектрические свойства керамик системы Bi1-xNdxFeO3 / И. А. Вербенко [и др.] // Электронный журнал. 2010. № 3. С. 525.
15. Янушкевич К. И. Методика выполнения измерений намагниченности и магнитной восприимчивости. Система обеспечения единства измерений Республики Беларусь. Минск : БелГИМ, 2009. 19 с.
References
1. Aplesnin S. S. Osnovy spintriniki [Basics of spintronics]. St. Petersburg, Lan' Publ., 2010, 283 p.
2. Volkov N. V. [Spintronics: Magnetic tunnel structures based on manganite]. Uspekhi fizicheskikh nauk. 2012, Vol. 182, No. 3, P. 263-285 (In Russ.).
3. Pyatakov A. P., Zvezdin A. K. [Magnetoelectric materials and multiferroics]. Uspekhi fizicheskikh nauk. 2012, Vol. 182, No. 6(11), P. 583-620 (In Russ.).
4. Makoed I. I. Polucheniye i fizicheskiye svoystva mul'tiferroikov [Preparation and physical properties of multiferroic]. Brest, BrSU Publ., 2009, 181 p.
5. Fisher P. et al. Temperature dependence of the crystal and magnetic structures of BiFeO3. J. Phys. C: Solid State Phys. 1980, Vol. 1/3, P. 1931.
6. Revinskiy A. F. et al. [Preparation and magnetic properties of multiferroic RexBi1-_xFeO3 (Re = La, Nd, Gd)]. Cbornik dokladov Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii FTT-2011 [Proceedings of the International Scientific Conference FTT-2011]. Minsk, 2011, Vol. 2, P. 10-12 (In Russ.).
7. Panasevich A. M. [The features of multiferroic crystal ordering based on the BiFeO3, doped with rare earth elements]. Sbornik tezisov 13-y Vseukrainskoy shkoly-seminara po statisticheskoy fizike i teorii kondensirovannykh sred [Abstracts of the 13th All-Ukrainian school-workshop on statistical physics and condensed matter theory]. Lviv, 2013, P. 40 (In Russ.).
8. Revinskiy A. F. et al. [The distribution of spin density and optical properties of multiferroic LaxBi1-xFeO3]. Materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Tekhnika i tekhnologii: innovatsii i kachestvo". [Proceedings of the international scientific-practical conference "Technology: innovation and quality". Baranovichi, 2007, P. 57-61 (In Russ.).
9. Revinskiy A. F. et al. [The dielectric and optical properties of bismuth ferrite substituted gadolinium]. Bull. of theRus. Acad. ofS. Phys. 2013, Vol. 77, No. 3, P. 390-392.
10. Revinskiy A. F. et al. [The dielectric properties of thin films of multiferroic Bi1-xRxFeO3 (R = La, Nd, Gd)]. Sbornik materialov IV Respub-likanskoy nauchno-metodicheskoy konferentsii "Sovremennye nauchnye problemy i voprosy prepodavaniya teoreticheskoy i matematicheskoy fiziki, fiziki kondensiro-vannykh sred i astronomii" [Collection of materials of IV-Likanskii Republic scientific-methodical conference "Modern scientific problems and issues of teaching of theoretical and mathematical physics, condensed-media and bathrooms astronomy", Brest, 2012, P. 84-86 (In Russ.).
11. Mukhortov V. M., Golovko Y. I., Yuzyuk Y. I. [Hetero films of bismuth ferrite multiferroic doped with neodymium]. Uspekhi fizicheskimkh nauk. 2009, Vol. 179, No. 8, P. 909-913 (In Russ.).
12. Revinskiy A. F. et al. [Weak ferromagnetism and spin density distribution in thin films of solid solutions GdxBi1-xFeO3]. Bull. of the Rus. Acad. of S. Phys. 2014, Vol. 78, No. 8, P. 917-920.
13. Revinskiy A. F. et al. [The magnetic properties of multiferroic synthesized based on BiFeO3]. Trudy III Mezhdunarodnogo Mezhdistsiplinarnogo Simpoziuma "Sredy so strukturnym i magnitnym uporyadocheniem" (Multiferroics-3). [Proceedings of the III International Interdisciplinary Symposium "Among the structural and magnetic ordering" (Multiferroics-3), Rostov-on-Don, 2011, P. 142-147. (In Russ.).
14. Verbenko I. A. et al. [The microstructure, Mossbauer effect, dielectric and magnetoelectric properties of ceramics Bi1-xNdxFeO3 system]. Electronic journal, 2010. No 3. P. 525.
15. Yanushkevich K. I. Metodika vypolneniya izmereniy namagnichennosti i magnitnoy vospriimchivosti. Sistema obespecheniya yedinstva izmereniy Respubliki Belarus' [Methods of magnetization and magnetic susceptibility measurements. ensuring the unity of the Republic of Belarus The system of measurements]. Minsk, BelGIM Publ., 2009, 19 p.
© Аплеснин С. С., Кретинин В. В., Королев В. В., Живулько А. М., Янушкевич К. И., 2016
