Ferromagnetism in the multiferroic alloy systems BiFeO3-BaTiO3 and BiFeO3-SrTiO3: Intrinsic or extrinsic?

Abstract

Among the different bulk alloys of the room temperature multiferroic compound BiFeO3, alloying with ATiO3 (A = Ba, Sr, Pb) is interesting as they have been reported to induce ferromagnetism under certain conditions. While this makes them interesting as potential multiferroic magnetoelectric materials, there is a lack of clarity on the origin of ferromagnetism in these systems. We have performed a detailed magneto-structural analysis on two alloys, namely, BiFeO3-BaTiO3 and BiFeO3-SrTiO3, and found the systems' propensity for the formation of ferrimagnetic hexaferrite (BaFe12O19 and SrFe12O19) phases. Though insignificantly small to the extent of being undetectable by x-ray powder diffraction, we prove that the ferromagnetic character of the specimen is entirely due to spontaneous precipitation of the hexaferrite grains. While our results suggest that care should be exercised before attributing ferromagnetism in such alloy systems as intrinsic to the perovskite phase, the propensity for the spontaneous precipitation of the hexaferrite phase in these multiferroic alloy systems is encouraging as it provides an opportunity for designing self-grown ferroelectric-ferromagnetic composites with good magnetoelectric coupling.

Synthesis and Characterization of Multiferroic BiFeO3for Data Storage

“…The magnetization of BiFeO 3 is reported in the refs. [39][40][41][42][43][44]. The cycloidal model of spin ordering in BFO is distorted at low temperatures.…”

Мёссбауэровские исследования свойств твердых растворов xBiFeO-=SUB=-3-=/SUB=--(1-x)SrTiO-=SUB=-3-=/SUB=- (x=0.2/1.0; Delta x=0.1)

“…Смирнова, В.Г. Семенов В последние годы вырос интерес к ТР BiFeO 3 с добавлением титаната стронция (SrTiO 3 ) или кальция (CaTiO 3 ), которые не являются сегнетоэлектриками [18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28][29]. Было показано, что система xBiFeO 3 −(1 − x)SrTiO 3 обладает требуемой структурной стабильностью и нужными электрическими свойствами, возможно потому, что при легировании BaTiO 3 и SrTiO 3 , количество непервоскитных примесей уменьшается из-за повышенной стабильности фазы перовскита.…”

“…Было показано, что система xBiFeO 3 −(1 − x)SrTiO 3 обладает требуемой структурной стабильностью и нужными электрическими свойствами, возможно потому, что при легировании BaTiO 3 и SrTiO 3 , количество непервоскитных примесей уменьшается из-за повышенной стабильности фазы перовскита. При небольших количествах легирования BiFeO 3 титанатом стронция (SrTiO 3 ) формируются ТР, обладающие при комнатной температуре одновременно ферримагнитными и сегнетоэлектрическими свойствами [20][21][22][23][24][25][26][27][28][29].…”

“…Так, в системе xBiFeO 3 −(1 − x)SrTiO 3 усиление намагниченности приписывается подавлению спиральной спиновой структуры BiFeO 3 [24]. В работах [17,29] утверждается, что происхождение ферримагнетизма в ТР BiFeO 3 −BaTiO 3 полностью обусловлено гранулами гексагонального феррита BaFe 12 O 19 , (а в случае BiFeO 3 /PbTiO 3 -гранулами феррита PbFe 12 O 19 ), формируемыми в таких малых количествах (< 1 wt.%), что их невозможно обнаружить с помощью обычной методики порошковой рентгеновской дифракции [17,29].…”

“…Свойства феррита BiFeO 3 и ТР на его основе BiFeO 3 /MTiO 3 (M -Ba, Sr) широко исследованы различными методиками [5,[18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28][29]. Мёссбауэровская спектроскопия также использовалась для изучения феррита BiFeO 3 (см.…”