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マルチフェロイク 薄 膜 の 磁 気 特 性 改 善Improvement of magnetic properties on multiferroic thin films物 質 ・ 材 料 研 究 機 構 応 用 結 晶 科 学 グループ 木 村 秀 夫 、Hongyang Zhao, Raja Pradeep KumarHideo Kimura, Hongyang Zhao, Raja Pradeep KumarNational Institute for Materials Science, Crystal Science and Technology GroupAbstract:Nd 0.1 Bi 0.9 FeO 3 /Bi 2 FeMnO 6 bilayered films were deposited on Pt/Ti/SiO 2 /Si substrate by pulsed laser deposition method.BiFeO 3 is antiferromagnet while BiMnO 3 is ferromagnet, the ordering of -Mn-O-Fe-O-Mn- is expected which will induce theferromagnetic interation in the film. The hysteresis which was observed in magnetization revealed the ferromagneticproperties at room temperature (RT). The RT ferroelectric polarization was also observed, suggesting that the film is apromising RT multiferroism.Keywords: Multiferroic, ferroelectric, ferromagnetic, oxide, thin filmsE-mail: kimura.hideo@nims.go.jp1. はじめに通 常 ABO 3 型 ペロブスカイト 強 誘 電 体 では,B サイトの 磁 性 イオンにより 反 強 磁 性 を 示 すが,BiMnO 3 は例 外 で 強 磁 性 を 示 す. 一 方 A 2 BB ’ O 6 複 合 ペロブスカイトでは,B と B ’ とのカップリングにより 強 磁 性 秩 序 が発 現 することがある.Bi 2 NiMnO 6 ,BiFeO 3 -BiCrO 3 と 同様 に BiFeO 3 系 複 合 ペロブスカイト 酸 化 物 (Bi 2 BB ’ O 6 )においても 大 きな 電 気 磁 気 効 果 が 期 待 される. 今 回 取 り上 げる Nd:BiFeO 3 と Bi 2 FeMnO 6 層 からなるナノ 複 合 膜はほとんど 研 究 されていないが, 強 誘 電 体 への Nd の添 加 は 強 誘 電 特 性 の 改 善 に 広 く 行 われている.Goodenough-Kanamori’s 則 によると,180˚ -Fe 3+ -O-Mn 3+ -結 合 は 八 面 体 サイトで 強 い 一 軸 の Jahn-Teller 歪 みを 発生 する.よって,Nd:BiFeO 3 / Bi 2 FeMnO 6 複 合 膜 には 基板 の 反 磁 性 ,Nd による 常 磁 性 ,BiFeO 3 による 反 強 磁性 ,Bi 2 FeMnO 6 による 強 磁 性 が 共 存 しており, 成 膜 条件 を 変 えることで 他 の 磁 性 に 対 して 強 磁 性 を 強 調 させることができるものと 期 待 される.2. 実 験 方 法Pt/Ti/SiO 2 /Si 基 板 に PLD 法 で 成 膜 した Nd 0.1 Bi 0.9 FeO 3(Nd:BiFeO 3 )と Bi 2 FeMnO 6 からなる Nd:BiFeO 3 /Bi 2 FeMnO 6二 層 膜 を 考 える. 成 膜 条 件 は, 温 度 は 823~853 K だが,圧 力 は Nd:BiFeO 3 膜 では 30 Pa,Bi 2 FeMnO 6 膜 では 10 -3Pa と 異 なる.Bi 2 FeMnO 6 膜 の 場 合 は, 成 膜 条 件 を 変 えると 異 なる 構 造 となる.Bi らは 空 間 群 Pm 3 m,R3 及 びC2 からなる 三 種 類 の Bi 2 FeMnO 6 構 造 を 計 算 から 導 き出 し, 実 験 でも 確 認 されているが, 特 性 との 厳 密 な 対応 は 今 後 の 課 題 である. 今 回 は, 二 層 膜 に 対 して 強 誘電 特 性 を 強 誘 電 体 テスタで, 磁 気 特 性 を VSM とSQUID で 評 価 した.3. 実 験 結 果 と 考 察AFM による 表 面 像 からは, 表 面 粗 さと 結 晶 粒 径 には相 関 があり,これから Bi 2 FeMnO 6 膜 上 の Nd:BiFeO 3 膜は Pt/Ti/SiO 2 /Si 基 板 上 の Nd:BiFeO 3 膜 より 成 長 速 度 が速 いと 推 定 された.Fig. 1 は,Nd:BiFeO 3 /Bi 2 FeMnO 6 二 層 膜 の 分 極 ヒステレシス 曲 線 である.2P r は 54 μC/cm 2 ,E c は 237 kV/cmで, 分 極 ヒステレシス 曲 線 は 非 対 称 であり,Jang らが示 すように, 分 極 は 電 圧 の 上 昇 とともに 減 少 する. 電極 の 影 響 や 薄 膜 表 面 の 不 均 一 分 極 については 排 除 できるから,この 原 因 は 次 の 二 つである. 一 つ 目 は, 薄 膜は 絶 縁 性 に 富 み, 蓄 積 電 荷 を 均 一 にする 自 由 電 荷 が 存在 しないため 薄 膜 内 で 分 極 勾 配 が 生 じて 反 分 極 が 発 生するためである. 二 つ 目 は, 薄 膜 内 で 異 なる 抗 電 界 を持 つ 不 均 一 なドメインが 存 在 し, 印 加 電 圧 によっては分 極 反 転 できないためである.Nd:BiFeO 3 /Bi 2 FeMnO 6二 層 膜 の 疲 労 特 性 では, 分 極 反 転 回 数 の 増 加 とともに分 極 が 増 大 する。 疲 労 は 主 にドメインの 形 成 , 電 極 と薄 膜 界 面 での 空 間 電 荷 や 酸 素 欠 陥 によるドメイン 壁 ピンニング,その 他 の 熱 履 歴 によるが, 分 極 が 増 大 する異 常 な 疲 労 特 性 は,Nd:BiFeO 3 膜 と Bi 2 FeMnO 6 膜 との界 面 で 空 間 電 荷 が 生 成 し,これが 影 響 するためと 説 明できる.磁 化 の 強 さは 温 度 に 依 存 し,Fig. 2(a)は 300 K と 5 Kにおける Nd:BiFeO 3 /Bi 2 FeMnO 6 二 層 膜 の 磁 気 ヒステレシス 曲 線 である. 面 内 方 向 と 面 に 垂 直 方 向 との 場 合 を示 すが, 薄 膜 では 明 瞭 な 磁 気 異 方 性 がある.ただし,反 磁 界 は 考 慮 していない. 典 型 的 な 強 磁 性 体 の 曲 線 で,磁 化 の 強 さは 300 K で 25 kA/m,5 K で 83 kA/m である.300 K では 基 板 の 強 い 反 磁 性 の 影 響 を 受 けるため,データは 基 板 からの 寄 与 分 を 引 いてある. 飽 和 磁 化 M s の 温度 依 存 性 は Fig. 2(b)のようになり, 磁 化 の 強 さは 室 温 以下 で T 1.6 の 温 度 依 存 性 を 示 し,M s (T)=M s (0)[1-b(T/T c ) 1.6 ]- 31 -