Rare-earth ferrobismuthites: ferromagnetic ceramic semiconductors with applicability in spintronic devices

• Autores: Jairo Roa Rojas, Javier A. Cuervo Farfán, Críspulo Enrique Deluque Toro, D.A. Landínez Téllez, Carlos A. Parra-Vargas
• Localización: Revista de la Academia Colombiana de ciencias exactas, físicas y naturales, ISSN 0370-3908, Vol. 43, Nº. 168, 2019, págs. 628-645
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Ferrobismutitas de tierra rara: cerámicos ferromagnéticos semiconductores con aplicabilidad en dispositivos espintrónicos
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    Resumen Se reporta el proceso de síntesis del material complejo de tipo perovskita Bi0.5R0.5FeO3 (R=Eu, Sm, Dy) mediante el método cerámico, así como su caracterización estructural, óptica, magnética y eléctrica. Los datos refinados de difracción de rayos X revelaron que este material cristaliza en una estructura ortorrómbica (grupo espacial Pnma número 62). La respuesta óptica en la curva de espectroscopia de reflectancia difusa proporcionó un valor de brecha energética típico de los materiales semiconductores. La magnetización presentó un comportamiento histerético de campo coercitivo muy bajo, característico del ferromagnetismo débil, para todas las temperaturas examinadas por debajo de 300 K y la aplicación de varios campos magnéticos. Las curvas de permitividad eléctrica real y compleja evidenciaron la presencia de procesos de relajación dieléctrica a 113 K, lo que concuerda con los reportes sobre corrientes piroeléctricas y termoestimuladas en función de la temperatura y revela la aparición de polarización ferroeléctrica por debajo de los 113 K, con un posible acoplamiento magnetoeléctrico. Por otro lado, se hizo un estudio teórico de la estructura electrónica con y sin la fase distorsiva de Berry. Se hicieron cálculos ab initio siguiendo el formalismo de la teoría funcional de la densidad y el método de ondas planas pseudopotenciales, formalismo en el cual los mecanismos de intercambio y correlación se describen mediante el enfoque de gradiente generalizado (GGA + U) considerando la polarización de espín. El análisis con la fase de Berry sugirió la presencia de ferroelectricidad a menos de 113 K, lo que concuerda con el análisis experimental que sugiere un comportamiento biferroico a bajas temperaturas debido a que la fase distorsiva introduce hibridaciones entre los estados 3d-Fe y 2p-O que favorecen la aparición de interacciones Dzyaloshinskii-Moriya, las cuales, a su vez, facilitan la aparición de ferroelectricidad en condiciones de ferromagnetismo débil. Las propiedades termodinámicas en presencia y ausencia de la fase de Berry en el modelo cuasi-armónico de Debye revelaron la aparición de una transición ferroeléctrica a los 113 K, lo que corrobora la naturaleza magnetoeléctrica a bajas temperaturas. El carácter ferromagnético semiconductor a temperatura ambiente potencia este material para aplicaciones en tecnología espintrónica.

  • English

    Abstract We report here the synthesis process of the perovskite-like complex material Bi0.5R0.5FeO3 (R=Eu, Sm, Dy) using the ceramic method, as well as its structural, optical, magnetic, and electrical characterizations. Refined X-ray diffraction data revealed that this material crystallizes in an orthorhombic structure (space group Pnma number 62). The band gap value in the optical response shown in the diffuse reflectance spectroscopy curve was typical of semiconductor materials. The magnetization exhibited a very low coercive field hysteretic behavior, which is characteristic of weak ferromagnetism, for all temperatures examined below 300 K and the various magnetic fields applied. The real and complex electric permittivity curves showed the occurrence of dielectric relaxation processes at 113 K in agreement with reports of pyroelectric and thermo-stimulated currents as a function of temperature revealing the appearance of ferroelectric polarization below 113 K with possible magnetoelectric coupling. On the other hand, we made a theoretical study of the electronic structure with and without the inclusion of a Berry distortional phase and ab-initio calculations following the density functional theory formalism and the pseudopotential plane wave method. In this formalism, the exchange and correlation mechanisms are described by the generalized gradient approach (GGA + U) considering spin polarization. The Berry phase analysis suggested the occurrence of ferroelectricity at temperatures below 113 K consistent with the experimental analysis evidencing a biferroic behavior at low temperatures given that the distortional phase introduces hybridizations between the 3d-Fe and 2p-O states favoring the appearance of Dzyaloshinskii-Moriya interactions, which, in turn, facilitate the appearance of ferroelectricity coexisting with a weak ferromagnetism. The thermodynamic properties in the presence or absence of the Berry phase by means of the Debye quasi-harmonic model revealed the appearance of a ferroelectric transition at 113 K, which corroborates their magnetoelectric nature at low temperatures. The ferromagnetic semiconducting character found at room temperature enhances this material for applications in spintronics technology.