Магнитные свойства мультиферроиков Bi₁₋xCaxFe₁₋xMnxO₃ и Bi₁₋xCaxFe₁₋xTixO₃

Abstract

Проведено исследование кристаллической структуры и магнитных свойств мультиферроиков Bi₁₋xCaxFe₁₋xMnxO₃ (Me = Mn, Ti). Показано, что Mn и Ti находятся в четырехвалентном состоянии и соблюдается стехиометрия по кислороду. Серия Me = Mn при х ≈ 0,19 переходит из полярной ромбоэдрической фазы (R3c) в неполярную орторомбическую (Pnma). Аналогичный переход в серии Me = Ti наблюдался при х = 0,25. В обеих сериях полярная фаза (х ≥ 0,1) является слабоферромагнитной. Однако спонтанная намагниченность титановой серии превышает спонтанную намагниченность марганцевой серии более чем в три раза, несмотря на то, что Ti⁴⁺ — диамагнитный ион. Остаточная намагниченность титановой серии уменьшается с ростом температуры, тогда как в марганцевой серии в интервале 0,1 ≤ х ≤ 0,22 она аномально увеличивается. Такое поведение магнитных свойств марганцевой серии связывается с крайне высокой чувствительностью магнитной анизотропии к изменению параметров кристаллической решетки, что приводит к спиновой переориентации.

Проведено дослідження кристалічної структури і магнітних властивостей мультифероїків Bi₁₋xCaxFe₁₋xMnxO₃ (Me = Mn, Ti). Показано, що Mn та Ti знаходяться в чотиривалентному стані та дотримується стехіометрія по кисню. Серія Me = Mn при х ≈ 0,19 переходить з полярної ромбоедричної фази (R3c) в неполярну орторомбічну (Pnma). Аналогічний перехід в серії Me = Ti спостерігався при х = 0,25. В обох серіях полярна фаза (х ≥ 0,1) є слабкоферомагнітною. Проте спонтанна намагніченість титанової серії перевищує спонтанну намагніченість марганцевої серії більш ніж в три рази, попри те, що Ti⁴⁺ — діамагнітний іон. Залишкова намагніченість титанової серії зменшується із зростанням температури, тоді як в марганцевій серії в інтервалі 0,1 ≤ х ≤ 0,22 вона аномально збільшується. Така поведінка магнітних властивостей марганцевої серії пов’язується із високою чутливістю магнітної анізотропії до зміни параметрів кристалічної гратки, що призводить до спінової переорієнтації.

This is a study of the crystalline structure and magnetic properties of the multiferroics Bi₁₋xCaxFe₁₋xMnxO₃ (Me = Mn, Ti). It is shown that Mn and Ti are in a quadrivalent state and the oxygen stoichiometry is conserved. The Me = Mn series undergoes a conversion at x = 0.19 from a polar rhombohedral phase ( R3 c) to a nonpolar orthorhombic phase ( Pnma). A similar transition in the Me = Ti series was observed at x = 0.25. In both series, the polar phase ( x ≥ 0.1) is weakly ferromagnetic. The spontaneous magnetization of the titanium series, however, exceeds that of the manganese series by more than a factor of three, despite the fact that Ti⁴⁺ is a diamagnetic ion. The residual magnetization of the titanium series decreases with rising temperature, while that of the manganese series increases anomalously within the interval 0.1 ≤ x ≤ 0.22. This behavior of the magnetic properties of the manganese series is explained by the extremely high sensitivity of the magnetic anisotropy to changes in the parameters of the crystal lattice, which leads to spin reversal.