【公開日：2024.07.25】【最終更新日：2024.06.14】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

23MS1010

利用課題名 / Title

金属ドープ型BiFeO₃ナノ粒子の磁性に関する研究

利用した実施機関 / Support Institute

自然科学研究機構 分子科学研究所 / IMS

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）次世代ナノスケールマテリアル/Next-generation nanoscale materials

キーワード / Keywords

マルチフェロイクス材料、セラミック、ビスマスフェライト

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

有馬 ボシールアハンマド

所属名 / Affiliation

山形大学大学院理工学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

Billah A H M Areef

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

MS-218：SQUID（MPMS-7）
MS-219：SQUID（MPMS-XL7）

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

現代社会において半導体を用いたデバイスは必要不可欠なものとなっているが、マルチフェロイクス材料が新たな性能向上に繋がるのではないかと注目を浴びている。マルチフェロイクス材料の中でもビスマスフェライトは室温環境下でも良い特性を示すため実用化が考えられているが、いくつかの問題点を抱えているため様々な手法による改善が模索されている。本研究ではLaと遷移金属（Ti, Ta, Cr）を共添加したBi_0.80La_0.20Fe_(1-x)Tr_xO₃ (Tr=Ti, Ta Cr) セラミックを合成し、ドーピングの影響を調べた。Ｘ線回折パターンの解析から試料中にR3c菱面体とImma斜方晶の構造が共存していることが示された。この二つの磁気秩序の混在により磁化、保持力、交換バイアスのそれぞれに変化が確認された。また強誘電性についても共添加による特性改善を確認することができた。

実験 / Experimental

Bi_0.80La_0.20Fe_(1-x)Tr_xO₃ (Tr=Ti, Ta, Cr)の多結晶体を固体反応法で合成した。出発原料は高純度の　Bi₂O₃, Fe₂O₃,　La₂O₃, TiO₂, Ta₂O₅ Cr₂O₃を使用した。これらの粉末をメノウ乳鉢で十分に混合し、円盤状のペレットにプレスした。その後それぞれの焼成温度で２時間焼成した．試料の構造はX線回折装置でCuKα放射線を用いて調べた。粒形・形態評価は走査型電子顕微鏡（SEM）、磁気特性評価は超導電量子干渉計（SQUID）、誘電特性は強誘電性テストシステムを用いて評価した.　SQUID測定以外は自機関で行った。

結果と考察 / Results and Discussion

Laドープ型BiFeO₃セラミックの磁気挙動を探るために、我々は±20 kOeの磁場をかけたM−Hヒステリシスループを行った（図1a−d）。まず、全てのサンプルについて、Laのドーピングと温度が磁化に与える影響を理解するために、300 Kと50 KでM−Hループを測定し比較した。図1b−dでは、BFO材料にLa含有量が増加するにつれて、磁化が増加することが示されている。室温では、BLFO20の残留磁化（M_r）値は0.2264 emu/gであり、一方でBLFO30では0.2775 emu/gです。BLFO30のより高いM_r値は、Bi³⁺イオンの代わりにLa³⁺イオンが置換されたことによるものと考えられる。両方のイオンは非磁性であるが、La³⁺イオンは磁化を増強する事が分かった。La³⁺イオンの寄与を分析するために、XRDデータからFe−O−Fe結合角を計算した。その結果、ドーピングコンテンツLa³⁺イオンの量が増加するにつれて、結合角が減少する事が分かった。BLFO20とBLFO30のFe−O−Fe結合角の値はそれぞれ135.67度と130.62度だった。反強磁性材料では、強磁性Feイオン間の超交換相互作用が主にフェロ磁性のような挙動を示し、この相互作用はFe−O−Fe結合角によって制御される。角度が減少し始めると、酸素イオンを介したFeイオン間の追加の超交換相互作用が発生する。その結果、反強磁性材料の磁化が増強される。そのため、BLFO30は他の材料と比較してより高いM_r値を表す。図2aは、室温でのM−Hヒステリシスループを示し、±20から±70 kOeまでの適用される磁場の変化を示している。M_rとH_cの値はM−Hループから得られ、図2bに磁場の関数としてプロットされている。M_r値は適用される磁場が増加するにつれて増加する。一般的に、適用される磁場が増加すると、材料内の磁気ドメインが強化されるため、残留磁化の値も増加する可能性がある。興味深いことに、BLFO20のHc値は磁場の増加とともに減少する。おそらく、私たちが以前の段落で説明したように、材料のH_c特性を決定する磁気電気結合と磁気異方性の類似した競争が起こった可能性もある。さらに、より高い焼結温度による結晶構造の変更が、磁気特性に影響を与えた可能性がある。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

Fig.1 1 M-H hysteresis loops of synthesized materials.

Fig.2 (a)1 M-H hysteresis loops with different applied magnetic field and (b) their quantified H_c and M_r values.

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

DOI：https://doi.org/10.1021/acsaelm.3c00533
URL：http://dx.doi.org/10.1021/acsaelm.3c00533
発表年：2023
タイトル：Unusual Behavior of Magnetic Coercive Fields with Temperature and Applied Field in La-Doped BiFeO₃ Ceramics
筆頭著者：Areef Billah
ジャーナルタイトル：ACS Applied Electronic Materials
ボリューム：5
ページ：4261-4267

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

1. Areef Billah, Unusual Behavior of Magnetic Coercive Fields with Temperature and Applied Field in La-Doped BiFeO₃ Ceramics, ACS Applied Electronic Materials, 5, 4261-4267(2023).
   DOI: 10.1021/acsaelm.3c00533
   

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 松野　勇紀、「Laと遷移金属共ドープ型BiFeO3の合成及び特性評価」2023年度情報・エレクトロニクス専攻修士論文公聴会、山形大学米沢キャンパス、2024年2月。

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件