Polymorphism and Magnetism in Fe-doped BaTiO3

Abstract

บทคัดย่อ มัลติเฟอร์โรอิกหรือสารที่แสดงสมบัติเฟอร์โรอิเล็กทริกและเฟอร์โรแมกเนติกพร้อมกัน เป็นสารที่ได้รับความสนใจอย่างสูง เนื่องจากสามารถนำไปใช้สร้างเทคโนโลยีใหม่เช่นหน่วยความจำสี่สถานะ แบเรียมไททาเนตเป็นสารที่มีสมบัติเฟอร์โรอิเล็กทริกที่รู้จักและมีการนำมาใช้อย่างกว้างขวางจึงเหมาะแก่การนำมาศึกษาสมบัติมัลติเฟอร์โรอิกด้วยการเจือด้วยธาตุโลหะทรานซิชันเพื่อก่อให้เกิดความเป็นแม่เหล็กขึ้นมา เนื่องจากเหล็กสามารถละลายได้ดีในแบเรียมไททาเนตทำให้มีโอกาสพบสารเจือปนที่มีความเป็นแม่เหล็กได้น้อยจึงเหมาะแก่การนำมาศึกษาในหัวข้อนี้ แบเรียมไททาเนตที่เจือด้วยเหล็กสามารถมีโครงสร้างได้ทั้งแบบเตตระโกนอลและเฮกซะโกนอลที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งโครงสร้างนี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยการปรับอุณหภูมิและระยะเวลาในการอบ ปริมาณออกซิเจนขณะสังเคราะห์สาร รวมทั้งการเปลี่ยนความเข้มข้นของเหล็กที่ใช้เจือ นอกจากนี้ ปัจจัยดังกล่าวยังส่งผลต่อความเป็นแม่เหล็กของแบเรียมไททาเนตที่เจือด้วยเหล็กอีกด้วย มีการพบสมบัติเฟอร์โรแมกเนติกในแบเรียมไททาเนตที่เจือด้วยเหล็กที่อุณหภูมิห้องแต่ก็มีการพบสมบัติพาราแมกเนติกด้วยเช่นกัน โดยแบบจำลองทางแม่เหล็ก เช่น การแลกเปลี่ยนอย่างยิ่งยวด (superexchange) และการจับคู่ผ่านตำแหน่งที่ว่างของออกซิเจน (oxygen vacancy-mediated coupling) ได้รับการนำเสนอเพื่อใช้อธิบายสมบัติเฟอร์โรแมกเนติกที่เกิดขึ้นนี้ แต่ในขณะเดียวกันก็มีการรายงานการพบความเป็นแม่เหล็กที่เกิดจากเหล็กที่ไม่เข้าไปก่อพันธะในแบเรียมไททาเนต และการเกิดสมบัติเฟอร์โรแมกเนติกที่มาจากความเครียดในตัวสารเอง คำสำคัญ: แบเรียมไททาเนตที่เจือด้วยเหล็ก  โครงสร้างผลึก  สมบัติแม่เหล็ก ABSTRACT Multiferroicity, a spontaneous emergence of ferroelectricity and ferromagnetism in a material, is a greatly desired property thanks to its technological aspirations, such as four-state memory. A well-known ferroelectric material, barium titanate offers a platform to study multiferroicity by doping transition metals to induce ferromagnetism. Iron is an appealing choice for chemical substitution due to its high solubility in BaTiO3. Thus, spurious ferromagnetic impurity phases are less likely to precipitate. Fe-doped BaTiO3 can adopt either tetragonal or hexagonal structure at room temperature. The structure can be tuned by fabrication temperature, processing duration, oxygen pressure and iron doping concentrations. These parameters also have an impact on the magnetic behavior of Fe-substituted BaTiO3. In addition to room temperature ferromagnetism, paramagnetism was also found in Fe-doped BaTiO3. While multiple models, such as superexchange, double exchange, oxygen vacancy-mediated coupling, were proposed for the magnetic behavior, Fe metal clusters and strain-induced extrinsic ferromagnetism were also reported. Keywords: Fe-doped Barium titanate, polymorphism, magnetism