mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2023-2-157-165RMVGAKmateltech-523Research ArticleАтомные структуры и методы структурных исследованийATOMIC STRUCTURES AND METHODS OF STRUCTURAL INVESTIGATIONSКристаллическая структура, пьезоэлектрические и магнитные свойства твердых растворов BiMn1-xFexO3 (x ≤ 0.4)Crystal structure, piezoelectric and magnetic properties of solid solutions BiMn1-xFexO3 (x ≤ 0.4)https://orcid.org/0000-0002-6273-3053СилибинМ. В.SilibinM. V.

пл. Шокина, д. 1, Зеленоград, Москва, 124498

Силибин Максим Викторович — канд. техн. наук, доцент

1 Shokin Sq., Zelenograd, Moscow 124498

Maxim V. Silibin – Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Institute of Advanced Materials and Technologies

sil_m@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1047-3007КиселевД. А.KiselevD. A.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Киселев Дмитрий Александрович — PhD, канд. физ.-мат. наук, зав. лабораторией физики оксидных сегнетоэлектриков

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Dmitry A. Kiselev — Ph.D, Cand. Sci. (Phys.-Math.), Head of the Laboratory of Physics of Oxide Ferroelectrics

dm.kiselev@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0003-0008-0525ЛатушкоС. И.LatushkoS. I.

пл. Шокина, д. 1, Зеленоград, Москва, 124498, Российская Федерация;

ул. П. Бровки, д. 19, Минск, 220072, Республика Беларусь

Латушко Сергей Игоревич — младший научный сотрудник

1 Shokin Sq., Zelenograd, Moscow 124498;

19 P. Brovka Str., Minsk 220072

Sergey I. Latushko — Junior Researcher,

latushkasi@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-9748-3939ЖелудкевичД. В.ZheludkevichD. V.

пл. Шокина, д. 1, Зеленоград, Москва, 124498, Российская Федерация;

ул. П. Бровки, д. 19, Минск, 220072, Республика Беларусь

Желудкевич Дмитрий Викторович — младший научный сотрудник

1 Shokin Sq., Zelenograd, Moscow 124498;

19 P. Brovka Str., Minsk 220072

Dmitry V. Zheludkevich — Junior Researcher

geludkevichdima@mail.ruСклярП. А.SklyarP. A.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Скляр Полнина Алексеевна — магистрант кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Polina A. Sklyar — Master of Science, Laboratory of Physics of Oxide Ferroelectrics

qwerty46.qq@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1046-543XКарпинскийД. В.KarpinskyD. V.

пл. Шокина, д. 1, Зеленоград, Москва, 124498, Российская Федерация;

ул. П. Бровки, д. 19, Минск, 220072, Республика Беларусь

Карпинский Дмитрий Владимирович — доктор физ.-мат. наук, зав. лабораторией оксидных материалов

1 Shokin Sq., Zelenograd, Moscow 124498,

19 P. Brovka Str., Minsk 220072

Dmitry V. Karpinsky — Dr. Sci. (Phys.-Math.), Head Laboratory of Oxide Materials

dmitry.karpinsky@gmail.comНациональный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»РоссияNational Research University “Moscow Institute of Electronic Technology”Russian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияNational University of Science and Technology “MISIS”Russian FederationНациональный исследовательский университет «Московский институт электронной техники»; Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедениюБеларусьNational Research University “Moscow Institute of Electronic Technology”; Scientific-Practical Materials Research Centre of the National Academy of Sciences of BelarusBelarus202305072023262157165Copyright © Силибин М.В., Киселев Д.А., Латушко С.И., Желудкевич Д.В., Скляр П.А., Карпинский Д.В., 20232023Силибин М.В., Киселев Д.А., Латушко С.И., Желудкевич Д.В., Скляр П.А., Карпинский Д.В.Silibin M.V., Kiselev D.A., Latushko S.I., Zheludkevich D.V., Sklyar P.A., Karpinsky D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/523

Исследована кристаллическая структура, пьезоэлектрические и магнитные свойства твердых растворов BiMn1-xFexO3 (x ≤ 0,4), полученных методом твердофазных реакций из стехиометрической смеси простых оксидов при высоких давлениях и температурах. Структура составов характеризуется наличием концентрационного фазового перехода из моноклинной структуры в орторомбическую. Появление орторомбической фазы регистрируется при концентрации x ≈ 0,2, при этом начинает разрушаться упорядочение dz2 орбиталей ионов Mn3+, что приводит к стабилизации неоднородного магнитного состояния. Твердые растворы с 0,2 ≤ x ≤ 0,4 характеризуются ненулевым пьезоэлектрическим откликом, причем составы обладают как сегнетоэлектрической, так и магнитной доменной структурой, напряжение сегнетоэлектрического переключения уменьшается с увеличением концентрации железа, а остаточная намагниченность уменьшается. Максимальный сигнал пьезоотклика наблюдается в твердом растворе BiMn0,7Fe0,3O3. В работе уточнена взаимосвязь между химическим составом, типом кристаллической структуры, пьезоэлектрическими и магнитными свойствами твердых растворов BiMn1-xFexO3. Наличие одновременно магнитного и электрического дипольного упорядочения свидетельствует о перспективах практического использования таких материалов.

Сrystal structure, piezoelectric and magnetic properties of solid solutions BiMn1-xFexO3 (x ≤ 0.4) prepared by solid-phase reactions from a stoichiometric mixture of simple oxides at high pressures and temperatures have been studied. The structure of the compounds is characterized by the concentration driven phase transition from the monoclinic structure to the orthorhombic structure at x ≈ 0.2; wherein the ordering dz2 of the orbitals of Mn3+ ions is destroyed, and the inhomogeneous magnetic state is stabilized. Solid solutions with 0.2 ≤ x ≤ 0.4 are characterized by a nonzero piezoelectric response, wherein both ferroelectric and magnetic domain structures exist, the ferroelectric switching voltage decreases with an increase of iron ions concentration, while the residual magnetization value decreases. The maximum value of the piezoresponse signal is observed in the compound BiMn0.7Fe0.3O3. The work clarifies the relationship between the chemical composition, the crystal structure, piezoelectric and magnetic properties of solid solutions BiMn1-xFexO3. The presence of both magnetic and electric dipole ordering indicates the perspectives for the practical usage of such materials. 

кристаллическая структурафазовый переходмагнитная структураорбитальное упорядочениесегнетоэлектрическая доменная структурагистерезисcrystal structurephase transitionmagnetic structureorbital orderingferroelectric domain structurehysteresisИсследования выполнены при поддержке Российского научного фонда (№ 21-19-00386).The study was carried out with support of the Russian Science Foundation (No. 21-19-00386).ReferencesKhomskii D. Classifying multiferroics: Mechanisms and effects. Physics. 2009; 2: 20. https://doi.org/10.1103/Physics.2.20Khomskii D. Classifying multiferroics: Mechanisms and effects. Physics. 2009; 2: 20. https://doi.org/10.1103/Physics.2.20Scott J.F. Multiferroic memories. Nature Materials. 2007; 6(4): 256—257. https://doi.org/10.1038/nmat1868Scott J.F. Multiferroic memories. Nature Materials. 2007; 6(4): 256—257. https://doi.org/10.1038/nmat1868Vaz C.A.F., Hoffman J., Ahn Ch.H., Ramesh R. Magnetoelectric coupling effects in multiferroic complex oxide composite structures. Advanced Materials. 2010; 22(26–27): 2900—2918. https://doi.org/10.1002/adma.200904326Vaz C.A.F., Hoffman J., Ahn Ch.H., Ramesh R. Magnetoelectric coupling effects in multiferroic complex oxide composite structures. Advanced Materials. 2010; 22(26–27): 2900—2918. https://doi.org/10.1002/adma.200904326Yoneda Y., Kitanaka Y., Noguchi Y., Miyayama M. Electronic and local structures of Mn-doped BiFeO3 crystals. Physical Review B. Condensed Matter. 2012; 86(18): 184112. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.184112Yoneda Y., Kitanaka Y., Noguchi Y., Miyayama M. Electronic and local structures of Mn-doped BiFeO3 crystals. Physical Review B. Condensed Matter. 2012; 86(18): 184112. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.184112Kimura T., Goto T., Shintani H., Ishizaka K., Arima T., Tokura Y. Magnetic control of ferroelectric polarization. Nature. 2003; 426(6962): 55—58. https://doi.org/10.1038/nature02018Kimura T., Goto T., Shintani H., Ishizaka K., Arima T., Tokura Y. Magnetic control of ferroelectric polarization. Nature. 2003; 426(6962): 55—58. https://doi.org/10.1038/nature02018Bernardo M.S. Synthesis, microstructure and properties of BiFeO3-based multiferroic materials: A review. Boletin de la Sociedad Espanola de Ceramica y Vidrio. 2014; 1(53): 1—14. https://doi.org/10.3989/cyv.12014Bernardo M.S. Synthesis, microstructure and properties of BiFeO3-based multiferroic materials: A review. Boletin de la Sociedad Espanola de Ceramica y Vidrio. 2014; 1(53): 1—14. https://doi.org/10.3989/cyv.12014Neaton J.B., Ederer C., Waghmare U.V., Spaldin N.A., Rabe K.M. First-principles study of spontaneous polarization in multiferroic BiFeO3. Physical Review B. Condensed Matter. 2005; 71(1): 14113. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.014113Neaton J.B., Ederer C., Waghmare U.V., Spaldin N.A., Rabe K.M. First-principles study of spontaneous polarization in multiferroic BiFeO3. Physical Review B. Condensed Matter. 2005; 71(1): 14113. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.014113Catalan G., Scott J.F. Physics and applications of bismuth ferrite. Advanced Materials. 2009; 21(24): 2463—2485. https://doi.org/10.1002/adma.200802849Catalan G., Scott J.F. Physics and applications of bismuth ferrite. Advanced Materials. 2009; 21(24): 2463—2485. https://doi.org/10.1002/adma.200802849Efremov D.V., Van den Brink J., Khomskii D.I. Bond-versus site-centred ordering and possible ferroelectricity in manganites. Nature Materials. 2004; 3(12): 853—856. https://doi.org/10.1038/nmat1236Efremov D.V., Van den Brink J., Khomskii D.I. Bond-versus site-centred ordering and possible ferroelectricity in manganites. Nature Materials. 2004; 3(12): 853—856. https://doi.org/10.1038/nmat1236Selbach S.M., Tybell T., Einarsrud M.A., Grande T. Structure and properties of multiferroic oxygen hyperstoichiometric BiFe1-xMnxO3+δ. Chemistry of Materials. 2009; 21(21): 5176—5186. https://doi.org/10.1021/cm9021084Selbach S.M., Tybell T., Einarsrud M.A., Grande T. Structure and properties of multiferroic oxygen hyperstoichiometric BiFe1-xMnxO3+δ. Chemistry of Materials. 2009; 21(21): 5176—5186. https://doi.org/10.1021/cm9021084Stokes H.T., Kisi E.H., Hatch D.M., Howard Ch.J. Group-theoretical analysis of octahedral tilting in ferroelectric perovskites. Acta Crystallographica Section B: Structural Science. 2002; 58(Pt 6): 934—938. https://doi.org/10.1107/S0108768102015756Stokes H.T., Kisi E.H., Hatch D.M., Howard Ch.J. Group-theoretical analysis of octahedral tilting in ferroelectric perovskites. Acta Crystallographica Section B: Structural Science. 2002; 58(Pt 6): 934—938. https://doi.org/10.1107/S0108768102015756Palai R., Katiyar R.S., Schmid H., Tissot P., Clark S.J., Robertson Jv., Redfern S., Catalan G., Scott J.F. Beta phase and gamma-beta metal-insulator transition in multiferroic BiFeO3. Physical Review B. Condensed Matter. 2008; 77(1): 014110. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.014110Palai R., Katiyar R.S., Schmid H., Tissot P., Clark S.J., Robertson Jv., Redfern S., Catalan G., Scott J.F. Beta phase and gamma-beta metal-insulator transition in multiferroic BiFeO3. Physical Review B. Condensed Matter. 2008; 77(1): 014110. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.014110Belik A.A. Origin of magnetization reversal and exchange bias phenomena in solid solutions of BiFeO3–BiMnO3: intrinsic or extrinsic? Inorganic Chemistry. 2013; 52(4): 2015—2021. https://doi.org/10.1021/ic302384jBelik A.A. Origin of magnetization reversal and exchange bias phenomena in solid solutions of BiFeO3–BiMnO3: intrinsic or extrinsic? Inorganic Chemistry. 2013; 52(4): 2015—2021. https://doi.org/10.1021/ic302384jDenning D., Guyonnet J., Rodriguez B.J. Applications of piezoresponse force microscopy in materials research: from inorganic ferroelectrics to biopiezoelectrics and beyond. International Materials Reviews. 2016; 61(1): 46—70. https://doi.org/10.1179/1743280415Y.0000000013Denning D., Guyonnet J., Rodriguez B.J. Applications of piezoresponse force microscopy in materials research: from inorganic ferroelectrics to biopiezoelectrics and beyond. International Materials Reviews. 2016; 61(1): 46—70. https://doi.org/10.1179/1743280415Y.0000000013Gannepalli A., Yablon D.G., Tsou A.H., Proksch R. Corrigendum: Mapping nanoscale elasticity and dissipation using dual frequency contact resonance AFM. Nanotechnology. 2013; 24: 159501. https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/15/159501Gannepalli A., Yablon D.G., Tsou A.H., Proksch R. Corrigendum: Mapping nanoscale elasticity and dissipation using dual frequency contact resonance AFM. Nanotechnology. 2013; 24: 159501. https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/15/159501Guennou M., Bouvier P., Chen G.S., Dkhil B., Haumont R., Garbarino G., Kreisel J. Multiple high-pressure phase transitions in BiFeO3. Physical Review B. Condensed Matter. 2011; 84(17): 174107. https://doi.org/10.1103/physrevb.84.174107Guennou M., Bouvier P., Chen G.S., Dkhil B., Haumont R., Garbarino G., Kreisel J. Multiple high-pressure phase transitions in BiFeO3. Physical Review B. Condensed Matter. 2011; 84(17): 174107. https://doi.org/10.1103/physrevb.84.174107Mumtaz F., Jaffari G.H., Syed S., Khan S. Model-based quantification of inter-intra-grain electrical parameters, hopping polydispersivity, and local energy barrier profile of BiFeMnO3 synthesized by different methods. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2022; 160: 110334. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2021.110334Mumtaz F., Jaffari G.H., Syed S., Khan S. Model-based quantification of inter-intra-grain electrical parameters, hopping polydispersivity, and local energy barrier profile of BiFeMnO3 synthesized by different methods. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2022; 160: 110334. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2021.110334Azuma M., Kanda H., Belik A.A., Shimakawa Y., Takano M. Magnetic and structural properties of BiFe1-xMnxO3. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2007; 310(2): 1177—1179. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.10.287Azuma M., Kanda H., Belik A.A., Shimakawa Y., Takano M. Magnetic and structural properties of BiFe1-xMnxO3. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2007; 310(2): 1177—1179. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2006.10.287Karpinsky D.V., Silibin M.V., Latushka S.I., Zhaludkevich D.V., Sikolenko V.V., Svetogorov R., Sayyed M.I., Almousa N., Trukhanov A., Trukhanov S., Belik A.А. Temperature-driven transformation of the crystal and magnetic structures of BiFe0.7Mn0.3O3. Nanomaterials. 2022; 12(16): 2813. https://doi.org/10.3390/nano12162813Karpinsky D.V., Silibin M.V., Latushka S.I., Zhaludkevich D.V., Sikolenko V.V., Svetogorov R., Sayyed M.I., Almousa N., Trukhanov A., Trukhanov S., Belik A.А. Temperature-driven transformation of the crystal and magnetic structures of BiFe0.7Mn0.3O3. Nanomaterials. 2022; 12(16): 2813. https://doi.org/10.3390/nano12162813Karpinsky D.V., Silibin M.V., Zhaludkevich D.V., Latushka S.I., Sikolenko V.V., Többens D.M., Sheptyakov D., Khomchenko V.A., Belik A.A. Crystal and magnetic structure transitions in BiMnO3+δ ceramics driven by cation vacancies and temperature. Materials (Basel). 2021; 14(19): 5805. https://doi.org/10.3390/ma14195805Karpinsky D.V., Silibin M.V., Zhaludkevich D.V., Latushka S.I., Sikolenko V.V., Többens D.M., Sheptyakov D., Khomchenko V.A., Belik A.A. Crystal and magnetic structure transitions in BiMnO3+δ ceramics driven by cation vacancies and temperature. Materials (Basel). 2021; 14(19): 5805. https://doi.org/10.3390/ma14195805Belik A.A. Structural, magnetic, and dielectric properties of solid solutions between BiMnO3 and YMnO3. Journal of Solid State Chemistry. 2017; 246: 8—15. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2016.10.025Belik A.A. Structural, magnetic, and dielectric properties of solid solutions between BiMnO3 and YMnO3. Journal of Solid State Chemistry. 2017; 246: 8—15. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2016.10.025Goodenough J.B. Theory of the role of covalence in the perovskite-type manganites [La, M (II)] MnO3. Physical Review. 1955; 100(2): 564. https://doi.org/10.1103/PhysRev.100.564Goodenough J.B. Theory of the role of covalence in the perovskite-type manganites [La, M (II)] MnO3. Physical Review. 1955; 100(2): 564. https://doi.org/10.1103/PhysRev.100.564Belik A. A. Local distortions in multiferroic BiMnO3 as a function of doping. Science and Technology of Advanced Materials. 2011; 12(4): 044610. http://dx.doi.org/10.1088/1468-6996/12/4/044610Belik A. A. Local distortions in multiferroic BiMnO3 as a function of doping. Science and Technology of Advanced Materials. 2011; 12(4): 044610. http://dx.doi.org/10.1088/1468-6996/12/4/044610Ederer C., Spaldin N.A. Weak ferromagnetism and magnetoelectric coupling in bismuth ferrite. Physical Review B. Condensed Matter. 2005; 71: 060401(R). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.060401Ederer C., Spaldin N.A. Weak ferromagnetism and magnetoelectric coupling in bismuth ferrite. Physical Review B. Condensed Matter. 2005; 71: 060401(R). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.060401

The authors declare that there are no conflicts of interest present.