Файл: За последнее десятилетие на доменных границах в объемных мультиферроидных системах было обнаружено множество новых и интересных корреляционных явлений.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.11.2023
Просмотров: 74
Скачиваний: 1
Среди других интересных находок они объяснили, что ширина заряженных доменных стенок под углом 180° в типичных перовскитных системах превышает ширину нейтральных стенок примерно на порядок величины.Сосуществующие и связанные электрические и магнитные доменные стенки в мультиферроиках I типаВ мультиферроиках I типа параметры электрического и магнитного порядка возникают при различных температурах перехода и из-за различного микроскопического происхождения. Хотя критические температуры двух соответствующих переходов могут быть значительно выше комнатной температуры, связь между электрическими и магнитными свойствами обычно довольно слабая. Однако на уровне доменных стенок может происходить выраженное взаимодействие между магнитной и электрической степенями свободы, приводящее к новым типам граничных состояний и магнитоэлектрическим свойствам доменных стенок. Важно отметить, что конкретный тип доменной стенки, которая образуется в мультиферроиках типа I, зависит преимущественно от микроскопического механизма, который приводит к сегнетоэлектрическому порядку. Здесь выделяются три микроскопически различных механизма, которые приводят к сегнетоэлектричеству, а именно геометрически обусловленное, управляемое порядком заряда и сегнетоэлектричество, индуцируемое одиночными парами.2.1. Мультиферроики с геометрически управляемым сегнетоэлектричествомВ сегнетоэлектриках с геометрическим управлением структурная нестабильность, вызванная размерными эффектами или геометрическими ограничениями, приводит к смещению полюсов. Здесь основным параметром порядка снижения симметрии является режим искажения с утроением элементарной ячейки, и последующее геометрически управляемое сегнетоэлектрическое состояние является неправильным (TC = 1000 K). Ориентация спонтанной поляризации задается режимом утроения, что не создает сегнетоэлектрическую поляризацию. Было показано, что это ответственно за необычное распределение сегнетоэлектрических доменов в h-RMnO3, которое представлено на рисунке 2(а). На рисунке 2(а) показано изображение PFM (ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СИЛОВАЯ МИКРОСКОПИЯ) при комнатной температуре, полученное на образце с плоскостной поляризацией. Уровни темного и яркого контраста соответствуют доменам +P и −P соответственно и показывают шестикратную точку пересечения чередующихся сегнетоэлектрических доменов. На вставке к рисунку 2(а) показано соответствующее измерение cAFM (Кондуктивная атомная силовая), которое подчеркивает аномальные свойства электронной проводимости в положении промежуточных сегнетоэлектрических доменных стенок. 2(b) Данные о локальном переносе показывают, что проводимость доменной стенки непрерывно изменяется между состояниями, скорее, изолирующими "голова к голове" и проводящими "хвост к хвосту", при этом ориентация доменной стенки является управляющим параметром. В атомном масштабе сегнетоэлектрические доменные стенки в h-RMnO3 не являются гладкими. Напротив, эти стенки
имеют определенную зигзагообразную структуру, состоящую из нейтральных и полностью заряженных (либо лоб в лоб, либо хвост в хвост) участков. Эта наноразмерная структура была впервые показана Чжаном и соавторами, как показано на рис. 2(c) для случая h-TmMnO3. Контрастное изображение Z на рисунке 2(c) четко показывает переход от восходящего к нисходящему (состояние +P) и в направлении вниз-вверх (состояние-P) поперек зигзагообразной стенки (красная пунктирная линия). Зигзагообразный характер доменных стенок наблюдался также у других представителей семейства h-RMnO3. Зигзагообразная наноструктура доменных стенок не улавливается вышеупомянутыми измерениями cAFM, которые обычно имеют разрешение 30 нм. Вместо этого с помощью cAFM исследуется усредненная структура, как показано на рисунке 2(d).
Однако один из наиболее важных вопросов, касающихся доменных стенок в мультиферроичном h-RMnO3, касается магнетизма доменных стенок и его корреляции с сегнетоэлектрическим порядком. В настоящее время мало что известно о локальном магнитных и магнитоэлектрических свойствах доменных стенок, поскольку эксперимент может быть достигнут только с помощью экспериментов с высоким разрешением при криогенной температуре. Члены семейства h-RMnO3 упорядочиваются антиферромагнитно ниже TN ≈ 100 К, и природа упорядочения тщательно изучалась более полувека. Основополагающим открытием в области современных исследований доменных стенок стало соединение ферроэлектрических и антиферромагнитных доменных стенок в h-YMnO3. Визуализируя доменную структуру, Фибиг и его коллеги обнаружили, что границы сегнетоэлектрических доменов всегда совпадают с границей антиферромагнитных доменов, в то время как антиферромагнитные стенки также могут существовать независимо от электрических стенок, как показано на рис. 3(а). Это наблюдение примечательно, поскольку оно стало первым пространственно разрешенным доказательством существования мультиферроической доменной стенки с сильно связанными электрической и магнитной степенями свободы. Отметим, что h-YMnO3 является мультиферроиком I типа с сегнетоэлектричеством и магнетизмом, возникающими за счет различных микроскопических механизмов и при совершенно разных температурах перехода (TC ≈ 1000 К [68], TN ≈ 100К). Десять лет спустя удалось провести измерения локального намагничивания на этих мультиферроичных доменных стенках, применив магнитно-резонансную силовую микроскопию (MFM) к своему MnO3. Поскольку переход в мультиферроичную фазу не влияет на сегнетоэлектрическую доменную структуру, стало возможным прямое сравнение результатов низкотемпературного MFM с данными PFM при комнатной температуре, как представлено на рис. 3(b) и (c). Набор данных показывает, что каждая мультиферроидная доменная стенка в h-ErMnO3 обладает суммарным магнитным моментом, который указывает либо за пределы плоскости изображения (белый цвет на рис. 2(c)), либо в плоскость изображения (черный цвет на рис. 2 (c)).
2.2. Мультиферроики, управляемые одиночной парой и зарядовым порядкомМеханизм одиночных пар основан на нарушении локальной инверсионной симметрии валентными электронами. Наиболее интенсивно обсуждаемым мультиферроиком типа одиночных пар является BiFeO3. BiFeO3 принадлежит к семейству перовскитов, и упорядочение его сегнетоэлектрической и магнитной подсистем происходит независимо.Эксперименты с доменными стенками были проведены на тонких пленках BiFeO3. Экспериментальные исследования доменных стенок в монокристаллах BiFeO3, напротив, крайне редки. Визуализация с помощью поляризованной оптической микроскопии показала, что объемный BiFeO3 имеет тенденцию к образованию больших сегнетоэлектрических доменов, как показано на рис. 4(а), и может даже кристаллизоваться в сегнетоэлектрическом однодоменном состоянии.Собственная сегнетоэлектрическая поляризация BiFeO3 направлена вдоль псевдокубических направлений и, как следствие, все сегнетоэлектрические доменные стенки имеют тип 71°, 109° или 180°. Таким образом, аналогично тонким пленкам BiFeO3, в принципе возможно индуцировать все типы функциональных доменных стенок локальной электрической поляризацией и изучать их поведение. Такая характеристика все еще находится на рассмотрении, но весьма желательна, поскольку она может помочь понять внутренние свойства электронных доменных стенок и отделить их от других эффектов, которые возникают, например, из-за специфических условий роста при нанесении тонких пленок BiFeO3.Установлено, что магнитное упорядочение BiFeO3 является антиферромагнитным с дополнительной дальнодействующей циклоидной спиновой модуляцией. Волновой вектор направлен перпендикулярно вектору спонтанной поляризации. Это означает, что изменение поляризации на сегнетоэлектрической стенке на 71°, 109° или 180° сопровождается изменением спиновой структуры, так что как электрические, так и магнитные свойства локально отличаются от окружающих свойств. Эта особенность делает ВиФеО3 перспективной системой для изучения физики доменных стенок в мультиферроиках. В частности, сравнение данных по объемному ВиФеО3 с результатами по ТПлен может позволить определить вклад различных эффектов, возникающих в тонких пленках.Другой интересной особенностью объемных ВиФеО3 является формирование поверхностных слоев с различными физическими характеристиками. Доминго и др. показали существование поверхностного слоя, состоящего из самоорганизованных нанодоменов с высокой плотностью доменных стенок. Природа их еще не выяснена.
Обратимся к зарядовому порядку на примере LuFeO24. В Параэлектрической фазе ионы железа имеют среднюю валентность +2,5. Ниже Тс зарядовое упорядочение создает слои с соотношением фе2+:фе3+ 2:1 и 1:2, так что Рs между двух слоев возникает. Магнитная и электрическая подсистемы упорядочиваются отдельно при отличающихся температурах. Вследствие этого наблюдается слабая корреляция между ними. Особый интерес представляет атомная структура возможно заряженных доменных стенок сегнетоэлектрика и специфические свойства, возникающие в результате мелкоячеистой природы сети доменных стенок.3. Связанные спиновые и зарядовые степени свободы на доменных стенках в мультиферроиках II типаВозможно, наиболее интересными магнитоэлектрическими мультиферроиками являются те, в которых сложный магнитный дальний порядок одновременно нарушает пространственную и временную симметрию, так что индуцируется спонтанная поляризация. Обычно их называют мультиферроиками типа II или с объединенными параметрами порядка. Последнее обозначение подразумевает, что магнитный (первичный) и электрический (вторичный) параметры порядка проявляются при одном и том же фазовом переходе.Поскольку сегнетоэлектричество проявляется только в определенных магнитоупорядоченных состояниях, неудивительно, что связь между магнитными и электрическими свойствами велика. Именно врожденный магнитный порядок генерирует поляризацию и, таким образом, обеспечивает естественно выраженную магнитоэлектрическую связь. Этот нестандартный механизм, т.е. магнитно-индуцированная сегнетоэлектрическая поляризация обеспечивает гигантские и впечатляющие эффекты.Рассмотрим мультиферроики II типа с циклоидальными спиновыми структурами. В o-DyMnO3 возникает спонтанная поляризация ниже TC ≈ 20 К из-за наступления циклоидального магнитного порядка. Кагава и соавт. проанализировали поведение доменной стенки в мультиферроидной фазе o-DyMnO3. Они обнаружили, что доменные стенки в o-DyMnO3 могут быть довольно толстыми с шириной порядка 20 элементарных ячеек, что способствует значительной подвижности доменных стенок даже при низкой температуре. На рисунке 5(а) визуализирована структура мультиферроидной доменной стенки между сегнетоэлектрическими доменами с P || a (спиновая циклоида в плоскости ab) и P ||c (спиновая циклоида в плоскости bc). Такие 90-градусные доменные стенки возникают только вблизи магнитно-индуцированного провала поляризации o-DyMnO3, тогда как 180-градусные доменные стенки образуются при равновесии. Самое главное, что доменные стенки обладают структурой, разительно отличающейся от обычных сегнетоэлектриков. Используя мягкую рентгеновскую дифракцию, команде удалось запечатлеть 180° доменные стенки "голова к голове" и "хвост к хвосту" с предпочтительной ориентацией, перпендикулярной направлению сегнетоэлектрической поляризации, как показано на рисунке 5(b). Тот факт, что такие номинально заряженные стенки