论文标题：Magnetic Behaviour of Perovskite Compositions Derived from BiFeO₃

（铁酸铋系列钙钛矿的磁行为）

期刊：Magnetochemistry

作者：Andrei N. Salak et al.

发表时间：16 November 2021

DOI：10.3390/magnetochemistry7110151

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https://www.mdpi.com/journal/magnetochemistry

文章导读

本文研究了高压合成的 (1−y)BiFeO_3-yBiZn_0.5Ti_0.5O₃ (0.05 ≤ y ≤ 0.90) 系列钙钛矿固溶体的相含量和序列、晶体结构和磁性。在合成的实验样品中发现了菱形R3c的BiFeO₃ (铁酸铋) 以及四方P4mm的BiZn_0.5Ti_0.5O₃的两个结构钙钛矿相类型。研究发现，在0.30 ≤ y ≤ 0.90的组成范围内，菱形相和四方相会共存。此外，作者还测量分析了y < 0.30的BiFe_1-y[Zn_0.5Ti_0.5]yO₃陶瓷的磁性能与温度的函数关系，进一步讨论了高压合成对母体BiFeO3形成不同于调制摆线态特征的反铁磁态的作用。

研究内容

铋铁氧体是少数I型多铁性材料之一，同时具有铁电性和铁磁性。BiFeO₃铁位点的化学改性是调整这种材料磁性行为的直接方法。然而，使用传统的合成路线，可能只能达到几个原子百分比的取代率，且使用常规路线从铁氧体铋衍生的B位取代成分与母体BiFeO₃属于相同的空间群R3c，相比之下，高压合成会形成其他结构相，且能得到较高的取代率。来自阿威罗大学的Andrei N. Salak等人[1]在Magnetochemistry 期刊上发表的文章总结了BiFe1−y[Zn_0.5Ti_0.5]yO₃钙钛矿相的晶体结构和磁性能的组成行为，并将它们与BiFe1−yB3+yO3钙钛矿的各自依赖性进行了比较 (其中B3+ = Ga、Co、Mn、Cr和Sc)。

对(1−y)BiFeO_3-yBiZn_0.5Ti_0.5O₃系列的合成 (未退火) 样品的XRD数据分析结果表明，合成样品中除了钙钛矿相之外不存在其他晶相。在y < 0.30时，随着y值的增加，样品只具有菱形R3c结构的单相钙钛矿。而随着Zn-Ti含量的增加，新的与四方钙钛矿相相关衍射峰会逐步出现并增强 (如图1)，这与母体BiZn_0.5Ti_0.5O₃类似[2]。在0.30 ≤ y ≤ 0.90的范围内，菱形相和四方相钙钛矿会共存从，除此无其他钙钛矿相出现。

图1. 在高压下合成的(1-y)BiFeO_3-yBiZn_0.5Ti_0.5O₃样品的XRD表征。

BiFe_1−y[Zn_0.5Ti_0.5]yO₃样品的磁性测量结果如图2和3所示。在此之前，一般从热处理过的样品的磁数据可以观测到更为明显的Néel温度[3]。因此，退火样品可用于估计TN值。图2是在500 Oe的外加磁场中，从高温到330 K (FC) 测量出来的样品磁矩与温度之间的关系图。在AFM条件下及0.1 ≤ y < 0.25时，可以观察到BiFe_1-yScyO₃陶瓷的[4]两个与温度相关的磁矩异常，其被认为是磁转变信号 (标为Tm和Ta)。在如图3中零场冷却 (ZFC) 状态下，与BiFe1-yScyO₃相比，在较低y值情况，所得样品没有上述的转变特征[4]。仅从M/H(T)曲线的导数中，y = 0.2显示了图3中箭头所示磁结构的可能转换。

图2. 退火BiFe_1−y[Zn_0.5Ti_0.5]yO₃样品的归一化温度相关磁矩在 (FC) 体系中且330 K以上的温度范围内测量的结果。

图3. ZFC方案中5–400 K温度范围内测量的具有0.1 ≤ y < 0.2的合成BiFe_1−y[Zn_0.5Ti_0.5]yO₃样品的M/H的温度依赖性。Tm和Ta是根据M/H(T) 曲线的导数估计的。

总结

该研究指出，在使用高压合成制备的BiFe_1−y[Zn_0.5Ti_0.5]yO₃系列 (0.05 ≤ y ≤ 0.90) 的合成 (未退火) 陶瓷中，可以检测到两种钙钛矿结晶相，即菱形R3c，与母体BiFeO₃中的相似，所得的四方P4mm相与高压稳定的BiZn_0.5Ti_0.5O₃中的P4mm相似。在B₃+ = Cr、Sc和Zn_0.5Ti_0.5的BiFe_1−yB³⁺yO₃钙钛矿中观察到的低于TN的磁矩的温度行为异常，表明不同类型的反铁磁排序 (共线、倾斜和摆线自旋排列) 的磁态之间具有可逆转变，这种转变的发生可能是BiFe_1−yB^₃+yO₃钙钛矿高压稳定性质的特征，需要进一步研究。

参考文献

1. Salak, A.N.; Cardoso, J.P.V.; Vieira, J.M.; Shvartsman, V.V.; Khalyavin, D.D.; Fertman, E.L.; Fedorchenko, A.V.; Pushkarev, A.V.; Radyush, Y.V.; Olekhnovich, N.M.; Tarasenko, R.; Feher, A.; ?i?már, E. Magnetic Behaviour of Perovskite Compositions Derived from BiFeO₃. Magnetochemistry 2021, 7, 151.

2. Suchomel, M.R.; Fogg, A.M.; Allix, M.; Niu, H.; Claridge, J.B.; Rosseinsky, M.J. Bi2ZnTiO6:  a lead-free closed-shell polar perovskite with a calculated ionic polarization of 150 μC cm−2. Chem. Mater. 2006, 18, 4987–4989.

3. ?i?már, E.; Vorobiov, S.; Kliuikov, A.; Radyush, Y.V.; Pushkarev, A.V.; Olekhnovich, N.M.; Cardoso, J.P.; Salak, A.N.; Feher, A. Structural and magnetic phase transitions in the Fe-rich compositional ranges of the multiferroic BiFe1-x[Zn_0.5Ti_0.5]xO₃ perovskites. Integr. Ferroelectr. 2021.

4. Fertman, E.L.; Fedorchenko, A.V.; ?i?már, E.; Vorobiov, S.; Feher, A.; Radyush, Y.V.; Pushkarev, A.V.; Olekhnovich, N.M.; Stanulis, A.; Barron, A.R.; et al. Magnetic diagram of the high-pressure stabilized multiferroic perovskites of the BiFe_1-yScyO₃ series. Crystals 2020, 10, 950..

Magnetochemistry 期刊介绍

主编：Carlos J. Gómez García, Universidad de Valencia, Spain

期刊主要覆盖磁性的所有领域，特别关注磁性材料的设计、合成、表征及其结构和性质关系的研究。

2020 Impact Factor:2.193

5-Year Impact Factor:2.313

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Time to Publication:38 Days