Revealing the mechanism of magnetization reversal by electric field in room-temperature multiferroic thin films

• Project/Area Number: 20K21092
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 26:Materials engineering and related fields
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: Hojo Hajime 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90611369)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2021: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
• Keywords: マルチフェロイック / 走査透過電子顕微鏡 / 分極反転機構 / 透過電子顕微鏡

Outline of Research at the Start

磁性と強誘電性が共存したマルチフェロイック物質において、電場による磁化の制御が可能であれば低消費電力の磁気メモリを実現できる。本研究では、室温で弱強磁性と強誘電性が共存したマルチフェロイックBiFe0.9Co0.1O3に着目し、まずはその電気分極反転機構を解明することで、電気分極反転に伴う磁化反転の可能性について検討する。続いて、実際に素子構造の作製し、電極を用いた電場印加による磁化反転の実証を試みる。

Outline of Final Research Achievements

Ferroelectric and weakly ferromagnetic orders coexist in the perovskite-type oxide BiFe1-xCoxO3. The aim of this project is to reveal the mechanism for magnetization reversal by electric field in BiFe1-xCoxO3. Using aberration-corrected scanning transmission electron microscope, we have successfully observed the rotation pattern of Fe-O6 octahedra of BiFeO3, which is reported to determine the direction of magnetization of BiFe1-xCoxO3.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究の目的はBiFe1-xCoxO3をベースとして、電場により制御可能な、新しい原理に基づいた低消費電力の磁気メモリ実現のための路を拓くことである。電場印可による磁化反転の際に鍵となるFe-O6八面体の回転パターンを直接観察することに成功したことは、その機構解明のための大きな一歩となる成果である。また、電気分極の反転機構自体も、強誘電体研究の重要な研究テーマの1つである。八面体回転パターンの直接観察という新しい方法論を提案することができたと考えている。

Research Products

• [Journal Article] Magnetic Ordering and Structural Transition in the Ordered Double-Perovskite Pb2NiMoO6 (2022)
  • Author(s): Jianfa Zhao, Xiao Wang, Xi Shen, Christoph J Sahle, Cheng Dong, Hajime Hojo, Yuki Sakai, Jun Zhang, Wenmin Li, Lei Duan, Ting-Shan Chan, Chien-Te Chen, Johannes Falke, Cheng-En Liu, Chang-Yang Kuo, Zheng Deng, Xiancheng Wang, Richeng Yu, Runze Yu, Zhiwei Hu, Martha Greenblatt, Changqing Jin
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 34 Issue: 1 Pages: 97-106
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c02826
• [Journal Article] Observation of novel charge ordering and spin reorientation in perovskite oxide PbFeO3 (2021)
  • Author(s): Ye Xubin、Zhao Jianfa、Das Hena、Sheptyakov Denis、Yang Junye、et. al.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 1917-1917
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22064-9
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Enhanced Piezoelectric Response in Orientation-Controlled BiFe1-xGaxO3 Thin Films with Polarization Rotation (2021)
  • Author(s): Keisuke Shimizu, Hajime Hojo, Masaki Azuma
  • Journal Title: ACS Applied Electronic Materials Volume: 3 Issue: 10 Pages: 4459-4464
  • DOI: 10.1021/acsaelm.1c00616
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Functional Transition Metal Perovskite Oxides with 6s2 Lone Pair Activity Stabilized by High-Pressure Synthesis (2021)
  • Author(s): Masaki Azuma, Hajime Hojo, Kengo Oka, Hajime Yamamoto, Keisuke Shimizu, Kei Shigematsu, and Yuki Sakai
  • Journal Title: Annual Review of Materials Research Volume: 51 Issue: 1 Pages: 329-349
  • DOI: 10.1146/annurev-matsci-080819-011831
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 次世代低消費電力メモリを実現するマルチフェロイック材料の開発 (2021)
  • Author(s): 重松圭、東正樹、北條元
  • Journal Title: グリーンテクノロジー Volume: 1 Pages: 47-51
• [Journal Article] BiFe1-xCoxO3薄膜のスピン構造変化～電場による磁化の反転に成功、次世代低消費電力磁気メモリ実現の道拓く～ (2020)
  • Author(s): 東正樹、重松圭、北條元、壬生攻
  • Journal Title: NanotechJapan Bulletin Volume: 13 Pages: 1-5
• [Remarks] 九州大学 大学院総合理工学府 永長・北條研究室
  • URL: https://einaga-lab.weebly.com