Stor magnetoelektrisk koppling i co4nb2o9 | vetenskapliga rapporter

Stor magnetoelektrisk koppling i co4nb2o9 | vetenskapliga rapporter

Anonim

ämnen

  • Elektroniska egenskaper och material
  • Magnetiska egenskaper och material

Abstrakt

Magnetoelektriska material som samtidigt uppvisar elektrisk polarisering och magnetism har väckt mer och mer uppmärksamhet på grund av deras nya fysiska egenskaper och lovande tillämpningar för nästa generations enheter. Att utforska nya material med enastående magnetoelektrisk prestanda, särskilt manipulering av magnetisering med elektriskt fält, är av stor betydelse. Här demonstrerar vi tvärkopplingen mellan magnetiska och elektriska beställningar i polykristallin Co 4 Nb 2 O 9, i vilken inte bara magnetfältinducerad elektrisk polarisering utan också elektrisk fältstyrning av magnetism observeras. Dessa resultat avslöjar ett rikt fysiskt fenomen och potentiella tillämpningar i denna förening.

Introduktion

Spinnbaserad elektronik som kombinerar laddnings- och rotationsgrad av frihet förväntas dominera nästa generations teknik som övervinner olika svårigheter i den konventionella laddningsbaserade elektroniska enheten 1, 2 . Verket som en viktig teknik har magnetisering manipulerad med ström omfattande undersökts i metalliska och halvledande material 3, 4, 5 . Strömflödet åtföljer emellertid mer eller mindre energispridning, och i detta sammanhang skulle isolerande material i vilka magnetisering kan styras av elektriskt fält utan större strömflöde vara fascinerande och mycket önskvärt. Enfas magnetoelektriskt material ( ME ) lovar kandidater för en sådan operation genom att utnyttja deras tvärkontroll av magnetism och polarisering 6, 7 . För att uppnå gigantisk ME- koppling i sådana material skulle den elektriska polariseringen företrädesvis induceras genom magnetisk ordning 7 . Längs denna linje uppfyller typ II-multiferroer, i vilka polarisering endast finns i ett magnetiskt ordnat tillstånd och orsakas av en speciell typ av magnetisk struktur, kravbrunnen 8 . Sedan Tokura et al. publicerade det banbrytande arbetet med den stora ME- effekten i TbMnO 3 9, ett stort antal typ II-multiferroer har rapporterats dessa år, såsom CuO, hexaferrites, GdFeO 3, CaMn 7 O 12, etc 10, 11, 12, 13 . Så vitt vi vet har magnetfältstyrning av polarisering utnyttjats i stor utsträckning under de senaste decennierna 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, dock tvärtom, elektrisk manipulation av magnetism rapporteras fortfarande ganska sällan 12, 17, 18, 19 . Som nämnts ovan förväntas elektrisk styrning av magnetisering spela en viktig roll i framtida tekniska applikationer, såsom elektriska skriv- och magnetläseanordningar, ME- slumpmässiga åtkomstminnen osv 20, 21 . Därför är utforskning av material med stor ME- koppling, särskilt effekten av elektrisk styrning av magnetism, av primär betydelse. Förutom typ II-multiferroer kan stor koppling mellan magnetisering och elektrisk polarisering realiseras i en annan typ av material med en annan form - de linjära ME- effekterna. Denna effekt undersöktes först på 1960-talet och en återupplivning av den observerades nyligen eftersom stora linjära ME- effekter har erhållits i många system, såsom Cr203, MnTiO 3, Ni 0, 4 Mn 0, 6 TiO 3, NdCrTiO 5, etc 19 22, 23, 24, 25, 26 . I likhet med magnetiskt inducerad ferroelektricitet uppträder denna effekt även i antiferromagneter med trasig inversionssymmetri. Vid marktillstånd är den elektriska polariseringen i dessa ME- material noll. Med ökande magnetfält skulle polarisationen emellertid utvecklas och öka i intensitet, vilket visar en linjär ME- effekt 27 . Förutom dessa material har Co 4 Nb 2 O 9, som är en kollinär antiferromagnet och har en magnetisk punkt

28, förväntas bli en lovande kandidat som ett linjärt ME- material med tanke på magnetisk symmetri. Enligt den tidigare rapporten från Kolodiazhnyi et al observeras en dielektrisk topp i Co 4 Nb209 nära den antiferromagnetiska fasövergångstemperaturen under förutsättning att ett yttre magnetfält (> 12 kOe) appliceras. Efter att ha uteslutit något möjligt ursprung, bidrar författarna med den jätte magnetodielektriska effekten i Co 4 Nb 2 O 9 till magnetiskt driven spin-flop-övergång. I allmänhet kan en anomali i dielektrisk konstant indikera en plötslig förändring av elektrisk polarisering, såsom början eller rotation. Därför är det mycket nödvändigt att studera den magnetfältinducerade polarisationen och ME- effekten i denna förening. I detta manuskript förbereder vi en polykristallin Co 4 Nb 2 O 9 och undersöker dess magnetiska och elektriska egenskaper. Inte bara den magnetinducerade elektriska polariseringen utan också en effekt av magnetfältstyrning av magnetisering observeras i detta ME- material.

Resultat

Karakterisering av Co 4 Nb209 polykristallint prov

Co 4 Nb2O 9 kristalliseras i α –Al203-typstruktur (rymdgrupp

) med gitterkonstanter av a = 5.169 (4) och c = 14.127 (9) Å 29, vilket schematiskt illustreras i fig 1 (a). Det visas att Co- och Nb-jonerna upptar på Al-ställena med ett förhållande av 2: 1, där de två kristallografiska platserna för Co-jonerna är icke-ekvivalenta. Enhetscellen består av två formelenheter uppbyggda av tre enhetsceller av korundtypen. Den magnetiska strukturen för Co 4 Nb209 har fastställts av Bertaut et al. och bekräftades nyligen av Schwarz et al. 28, 29, 30 Enligt resultatet av neutrondiffraktion är två icke-ekvivalenta oktaedriska platser ockuperade av Co I och Co II . Co-jonernas magnetiska moment är parallella med c- riktningen och bildar kedjor längs linjen (

,

, z ) (spin up) och (

,

, z ) (snurr ner), som är ritad i fig. 1 (b), vilket resulterar i en kollinär antiferromagnetisk spinnstruktur med en magnetisk punkt

30 . Denna spinnkonfiguration liknar den hos Cr203, som bryter både rymdinversion och tid-reversering symmetrier och sedan tillåter en linjär ME- effekt 19 .

(a) Den kristallina strukturen och (b) den magnetiska strukturen för Co 4 Nb209.

Bild i full storlek

Fig. 2 visar röntgendiffraktion raction -2 θ spektra för det polykristallina provet vid rumstemperatur. Det framgår att alla spektra passar standarddatabasen för den enda korundstrukturen med rymdgrupp

brunn utan en föroreningsfas detekterad i apparatupplösningen. Temperaturberoendet för magnetisering för Co 4 Nb2O 9 vid olika yttre magnetfält visas i fig 3 (a). Under ett magnetfält på 0, 1 kOe är det uppenbart att magnetiseringen först ökar nästan linjärt med ökande temperatur. Efter att ha uppnått ett maximivärde börjar magnetiseringen att sjunka efter värmning, vilket visar ett typiskt antiferromagnetiskt beteende. Topptemperaturen runt 28 K kan definieras som Néeltemperaturen ( TN ) för Co 4 Nb209, vilket överensstämmer med den tidigare rapporten 30 . En liknande termomagnetisk kurva observeras med magnetfält på 1 och 10 kOe. Men när det yttre magnetfältet överstiger 20 kOe, visar magnetiseringen ett distinkt beteende: det ökar med sjunkande temperatur och en bult runt TN observeras, vilket kan betraktas som ett drag i spin-flop-övergången hos antiferromagnet 31, 32 . Enligt de tidigare rapporterna kan ett stort magnetfält som anbringas längs den enkla axeln leda till spin-flop-övergången i Co 4 Nb2O 9, medan magnetfält som avviker från den enkla axeln skulle stabilisera de uthärda spinntillstånden. Om det yttre magnetfältet är tillräckligt högt skulle både spinn-flopp och tillhörande tillstånd förvandlas till ett mättat spinn-flip-tillstånd 30 . Fig. 3 (b) visar variationen av magnetisering som funktion av det yttre magnetfältet för Co 4 Nb2O 9 vid 4 K. En förändring av lutningen observeras och inget tecken på mättnad hittas förrän magnetfältet når upp till 60 kOe. Såsom visas i insatsen i fig. 3 (b) kan ett fält på cirka 15, 7 kOe betraktas som det kritiska fältet för att inducera spin-floppövergången i Co 4 Nb209, vilket är bevis på anomalin i magnetiska känsligheter 31 . Nyligen har den magnetiska inducerade polarisationen relaterad till spin-flop-fas rapporterats i vissa linjära ME- material, såsom Cr203, MnTiO3, etc. 19, 23. Därför är det nödvändigt att undersöka den elektriska polariseringen i centrifugan -flopfas av Co 4 Nb209.

Bild i full storlek

(a) Magnetiseringens temperaturberoende under 0, 1, 1, 10, 20, 30 kOe; (b) Magnetiseringen mot magnetfältet vid 4 K för Co 4 Nb209; Insatsen visar den magnetiska känsligheten som en funktion av magnetfältet.

Bild i full storlek

Magnetfältstyrning av elektrisk polarisering

För att bekräfta förekomsten av magnetisk inducerad polarisering i Co 4 Nb 2 O 9 utför vi mätningen av pyroelektrisk ström, som samlas in under olika magnetfält. Före mätningen appliceras ME- kylning från 70 till 10 K med ett elektriskt fält på 667 kV / m och ett magnetfält på 20, 40 och 70 kOe på provet. Sedan registreras den pyroelektriska strömmen med ökande temperatur vid olika externa magnetfält. Såsom visas i fig. 4 observeras ingen signal om pyroelektrisk ström vid noll magnetfält. I närvaro av yttre magnetfält utvecklas emellertid den pyroelektriska strömmen i ett temperaturintervall relaterat till den antiferromagnetiska fasövergången och toppvärdena på den ökar i intensitet med ökande magnetfält. Inlägget i fig. 4 visar förändringen i tecken på pyroelektrisk ström vid 70 kOe som en funktion av temperaturen med positivt och negativt polande elektriskt fält på 667 kV / m. Ett ganska symmetriskt temperaturberoende av pyroelektrisk strömkurva observeras, vilket indikerar att den elektriska polarisationen kan vändas av elektriskt fält. Detta resultat visar vidare att det elektriska polarisationsbeteendet är beroende av ME- kylningshistoriken, vilket liknar annat linjärt ME- material 26 .

Bild i full storlek

Temperaturberoendet för elektrisk polarisering, som erhålls genom integration av pyroelektrisk ström med avseende på tid, visas i fig. 5. Det är uppenbart att ingen spontan elektrisk polarisation observerades i Co 4 Nb209 utan det yttre magnetfältet. Emellertid observeras en magnetfältinducerad polarisering av 30 μC / m 2 vid 10 K med ett fält på 20 kOe och den inducerade polarisationen ökar med ökningen av det applicerade magnetfältet. Såsom visas i inlägget i fig. 5 ökar polarisationen proportionellt med ökande magnetfält, vilket visar en linjär ME- effekt. ME- känsligheten a ME (

når upp till 18, 4 ps / m vid 70 kOe, vilket är jämförbart med de rapporterade linjära ME- materialen, såsom MnTiO 3 (2, 6 ps / m) 23, NdCrTiO 5 (0, 51 ps / m) 26, vilket indikerar en stor ME- koppling i Co 4 Nb209. Det är värt att notera att polariseringens börjanstemperatur överensstämmer med den magnetiska beställningstemperaturen på 28 K, vilket antyder den inneboende kopplingen mellan magnetiska och elektriska ordningar i Co 4 Nb2O 9 .

(a) Polariseringens temperaturberoende under olika magnetfält; Inlägget visar polarisationen mot magnetfältet vid 10 respektive 25 K.

Bild i full storlek

Elektriskt fältmanipulation av magnetisering

För att ytterligare karakterisera tvärkopplingen mellan magnetism och elektrisk polarisering mäts de termomagnetiska kurvorna för Co 4 Nb209 med 0, 1 kOe och utvalda elektriska fält (0, 1, 2 MV / m). Före mätningen utförs en ME- kylning under 40 kOe ( H ^ HC) och 1 MV / m för att säkerställa samma initiala magnetisering och elektriska polarisationstillstånd för provet. Såsom visas i fig 6 (a) uppvisar de termomagnetiska kurvorna samma beteende under olika elektriska fält medan magnetiseringen ökar anmärkningsvärt med ökande elektriskt fält under 28 K, vilket indikerar manipulering av elektriskt fält vid magnetisering. Det är värt att notera att magnetiseringen ovanför TN hålls oförändrad med applicerat elektriskt fält, vilket tillskrivs polarisationens försvinnande. Förändringen av magnetisering vid olika elektriska fält definieras som M = M (E) - M (0 V), vilket visas i fig 6 (b). Det är uppenbart att det ökar med sjunkande temperatur och når upp till maximivärdena 1, 7, 3, 3 memu / g vid 10 K under 1 respektive 2 MV / m. Fig. 6 (c) visar dessutom tidsberoendet för magnetisering under ett elektriskt fyrkantsvågfält på 2 MV / m. Det är uppenbart att magnetiseringen minskar eller ökar med att ta bort respektive applicera elektriska fält, vilket indikerar ett stabilt svar på de elektriska fälten, vilket ytterligare demonstrerar moduleringen av det elektriska fältet vid magnetisering i Co 4 Nb209.

(a) Magnetiseringens temperaturberoende under 0, 1 och 2 MV / m efter ME- kylning vid 40 kOe respektive 667 kV / m; (b) Förändring av magnetisering vid olika elektriska fält som en funktion av temperaturen; (c) Stabil respons av magnetisering till ett periodiskt elektriskt fält som en funktion av tiden.

Bild i full storlek

Diskussion

Det är känt att Co 4 Nb2O 9 har samma spinnkonfiguration som den för Cr203, som är ett tidshöjd ME- material 19 . Enligt de tidigare rapporterna om Cr203 uppvisar den spin-flop-övergång och ferroelektricitet under förutsättning att ett magnetiskt fält som är tillräckligt högt appliceras 19, 33, 34 . Neutronspridningsresultatet indikerar att, under TN , observeras en forskränkt magnetisering i Cr203 i närvaro av yttre magnetfält. Vidare är temperaturen där förskjuten magnetisering inträffar bara börjanstemperaturen för ferroelektricitet 35 . Baserat på dessa resultat, Kimura et al. argumentera för att ferroelektriciteten i Cr203 skulle tillskrivas denna speciella magnetiska ordning, förskjuten magnetisering 19 . Beträffande Co 4 Nb2O 9, förutom samma kristall- och magnetiska strukturer som de för Cr203, visar den också den vänd-inducerade elektriska polarisationen och tvärkopplingen mellan polarisering och magnetisering. Därför är det rimligt att tillskriva polarisering i Co 4 Nb209 till bildandet av den magnetiska inducerade spin-flop-fasen.

På grund av den inneboende kopplingen mellan magnetiska och elektriska ordningar skulle ändring av yttre magnetfält modifiera spinnkonfigurationen och polarisationens storlek, vilket visar manipulering av magnetfält vid polarisering. När det gäller effekten av elektriskt fält på magnetisering kan det förstås på följande sätt: efter ME- kylning kan polarisationen induceras under TN och ett applicerat elektriskt fält skulle få nätpolarisationen att ordna i dess riktning. Eftersom magnetismen och polarisationen har samma rotationsursprung, skulle omarrangemanget av elektrisk polarisation orsakat av elektriskt fält leda till rotation av antiferromagnetiska områden, och som en konsekvens, visa effekten av elektrisk fältstyrning av magnetisering.

För att förstå den linjära ME- effekten i Co 4 Nb 2 O 9, kan vi vända oss till Ginzburg-Landau utvidgning av den fria energin i termer av elektriska och magnetiska fält (

och

26, 27,

Var

och

anger den spontana elektriska polariseringen och magnetiseringen, medan ε och μ är de elektriska och magnetiska känsligheterna. Differentiering med avseende på de elektriska fälten leder till elektrisk polarisering,

Spänningen a motsvarar induktionen av elektrisk polarisation med ett magnetfält 26, 27 . I fallet med Co 4 Nb209 är den spontana elektriska polariseringen noll vid marktillstånd och ett magnetfält kan inducera en ändlig elektrisk polarisering, som ökar med ökande fält, vilket indikerar en linjär ME- effekt.

Sammanfattningsvis har vi utfört detaljerade mätningar av ME- egenskaper hos polykristallin Co 4 Nb 2 O 9 . De experimentella resultaten avslöjar att ingen spontan polarisering uppstår under TN såvida inte ett tillräckligt högt magnetfält appliceras. Polarisationen ökar proportionellt med det applicerade magnetfältet och visar linjära ME- effekter. Till skillnad från de flesta rapporterade ME- material observeras en effekt av elektrisk styrmagnetisering i denna förening. Den attraktiva tvärkontrollen mellan elektrisk polarisation och magnetism i Co 4 Nb 2 O 9 visar en väg för nästa generation och låg-energiförbrukning spintronics.

metoder

Provberedning

Polykristallint prov av Co 4 Nb209 framställdes med reaktionsmetod i fast tillstånd. De stökiometriska blandningarna av ren Co304 och Nb205 maldes väl och glödgades vid 1173 K under 10 timmar i muffelugn. De resulterande pulvren pressades sedan in i pellets med en diameter på 12 mm under 40 MPa. Slutligen sintrades pelletserna i luft vid 1373 K under 5 timmar följt av kylning till rumstemperatur. Strukturen för det beredda provet kontrollerades med användning av röntgendiffraktion (XRD, Bruker Corporation) utrustad med Cu Ka- strålning vid rumstemperatur. Resistiviteten för Co 4 Nb 2 O 9 vid rumstemperatur överstiger 6 × 10 9 Ω · cm, vilket är tillräckligt högt för att stödja ett elektriskt fält och säkerställer ME- mätningarna.

Magnetiska och elektriska mätningar

Magnetiska egenskaper mättes med superledande kvantinterferensanordning (SQUID, Quantum Design) magnetometer med applicerade magnetfält på 0, 1, 1, 10, 20, 30 kOe. Som framställt prov polerades till en tunn skiva med en tjocklek på 0, 3 mm och Au-elektroder sprutades på båda sidor för elektriska mätningar, vilka utfördes av Physical Property Measuring System (PPMS, Quantum Design). Pyroelektrisk ström uppsamlades med användning av en elektrometer (Keithley 6514A) efter polering av provet i ett elektriskt fält. I detalj överlämnades provet först till PPMS och kyldes till 70 K. Därefter applicerades ett poliskt elektriskt fält på 667 kV / m på provet med temperaturen som sjönk från 70 till 10 K. För att frigöra eventuella laddningar ackumulerade på provytorna eller inuti provet kortslutades provet under tillräckligt lång tid. Under registreringen av pyroelektrisk ström upphettades provet långsamt med en uppvärmningshastighet av 3 K / min. Noterade att magnetfältet applicerades under hela kylnings- och värmeprocesserna. Efter ME- kylning (1 MV / m, 40 kOe) provet från 40 till 10 K mättes temperaturberoendet av magnetisering under 0, 1 kOe med utvalda elektriska fält (0, 1 och 2 MV / m). För att ytterligare undersöka svaret från magnetisering till elektriskt fält mättes också variationen av magnetisering som funktion av ett periodiskt elektriskt fält.

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.