室温マルチフェロイック薄膜における電場印加磁化反転機構の解明とデバイス動作実証

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K21092
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 北條 元 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90611369)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2022-03-31
• キーワード: マルチフェロイック / 分極反転機構 / 透過電子顕微鏡

研究実績の概要

マルチフェロイックBiFe0.9Co0.1O3はFe(Co)-O6八面体の回転に起因したジャロシンスキー・守谷相互作用により、電気分極に垂直な方向にFe(Co)の傾角スピンによる磁化（弱強磁性）が発現する。電気分極反転の際に八面体の回転パターンが変化することで傾角スピンによる磁化の向きが反転することが、母物質であるBiFeO3について第一原理計算により予想されている。しかしながら、電気分極反転に伴い八面体回転パターンが変化することが実験的に確認されたことはない。一方、原子分解能の走査透過電子顕微鏡(STEM)を用いて八面体回転パターンを直接観察することが可能であり、分極反転前後の比較をすることで分極反転機構について検討することが可能である。得られる成果は、強誘電体の分極反転機構についての基礎的な知見になるだけでなく、電場によって制御可能な磁気メモリ実現のための重要な知見となることが期待できる。
2021年度も引き続き、まずは母物質であるBiFeO3薄膜を対象として、圧電応答顕微鏡(PFM)を用いて電気分極の方向を反転させ、分極反転前後の領域を同一の視野に含んだTEM試料の作製を試みた。集束イオンビーム(FIB)法による加工条件を最適化することで、高品質なTEM試料を作製することに成功した。その試料について環状明視野(ABF)像を得ることで、酸素カラムに起因したコントラストを観測することに成功し、Fe-O6八面体が回転している様子を直接観察することができた。しかしながら、STEM像中で分極反転後の領域を同定することができておらず、分極反転前後のFe-O6八面体回転パターンの比較は行えていない。BiFeO3薄膜の凹凸が大きいために分極反転ができていない可能性が高いことから、今後は平坦性を高めたBiFeO3薄膜について同様の実験を行う予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Magnetic Ordering and Structural Transition in the Ordered Double-Perovskite Pb2NiMoO6 (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Chemistry of Materials 巻: 34 ページ: 97-106
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.1c02826
• [雑誌論文] Observation of novel charge ordering and spin reorientation in perovskite oxide PbFeO3 (2021)
  • 著者名/発表者名: X. Ye, J. Zhao, H. Das, D. Sheptyakov, J. Yang, Y. Sakai, H. Hojo, Z. Liu, L. Zhou, L. Cao, T. Nishikubo, S. Wakazaki, C. Dong, X. Wang, Z. Hu, H.-J. Lin, C.-T. Chen, C. Sahle, A. Efiminko, H. Cao, S. Calder, K. Mibu, M. Kenzelmann, L. H. Tjeng, R. Yu, M. Azuma, C. Jin, Y. Long
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 12 ページ: 1917
  • DOI: 10.1038/s41467-021-22064-9
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced Piezoelectric Response in Orientation-Controlled BiFe1-xGaxO3 Thin Films with Polarization Rotation (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Shimizu, Hajime Hojo, Masaki Azuma
  • 雑誌名: ACS Applied Electronic Materials 巻: 3 ページ: 4459-4464
  • DOI: 10.1021/acsaelm.1c00616
  • 査読あり
• [備考] 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