알루미늄이 치환된 Y-타입 육방정계철산화물의 상온 자기전기현상 구현

Abstract

다강체는 두 가지 이상의 강성질서가 한 물질에 공존하는 것을 말한다. 강성질서는 대게 강자성과 강유전성을 말한다. 다강체는 외부 자기장(혹은 전기장으로) 자화율과 전기분극을 동시에 발생시키는 자기전기적 결합(magnetoelectric coupling)을 가지고 있고, 이 성질은 멀티비트메모리 구현이나 자기장 측정 센서로 응용할 수 있어 많은 연구자들이 관심을 가지고 있다. 하지만, 지금까지의 자기전기적 결합에 대한 연구는 대부분 저온, 고자기장에서 이루어져 현실적인 응용 가능성이 낮았다. 본 논문은 Y타입 육방정계철산화물의 상온 자기전기현상(magnetoelectric effect)에 대해 연구하였다. Ba0.3Sr1.7Co2(Fe1-xAlx)12O22(BSCFAO)의 구조적, 자기적, 그리고 자기전기적 성질에 대해 연구하였다. BSCFAO(x=0, 0.02, 0.004)단결정은 플럭스 방법을 이용하여 성장하였다. 여러 조각에 대해 X-선 회절을 이용한 구조 분석을 통해 시료의 상을 확인하였다. 강자성은 자화율 측정으로 확인하였고, 강유전성은 유전율의 상전이를 통해 간접적으로 확인하였다. 상온에서 자기전기현상은 성장 그대로의 시료에선 누설전류가 10 pA이상으로 관찰할 수 없었다. 900 C에서 220시간동안의 산소 후열처리과정을 통해 시료의 저항을 높이고 상온에서 자기전기현상을 관찰할 수 있었다. 알루미늄이 치환됨에 따라 자기전기효과가 커지는 것을 확인할 수 있었고, 특히 알루미늄이 4% 치환된 시료에서는 40 mT에서 3000 ps/m의 자기전기감수율을 보인다. 이 값은 상온에서 자기전기효과를 보인 단일상 다강체 중 가장 큰 값이며, 앞으로 이를 이용하여 상온 0 T에서 매우 큰 자기전기감수율을 구현할 수 있는 것으로 기대된다.

Multiferroics are materials that exhibit two or more ferroic order parameters. The primary ferroic order parameters are ferromagnetism, ferroelectricity and ferroelasticity. The multiferroics can have magnetoelectric(ME) coupling that polarization is generated by applied magnetic field or magnetization is generated by applied electric field. This property can be applied to multi-bit memory or magnetic field sensor. However, ME effect is mainly observed at low temperature and high magnetic field. Structural, magnetic and ME effect of Ba0.3Sr1.7Co2(Fe1-xAlx)12O22(BSCFAO) were studied. This single crystals of Y-type hexaferrite were grown by flux method. Crystal structure of BSCFAO was confirmed by X-ray diffraction with several pieces. Magnetization show ferromagnetic behavior up to 370 K. Ferroelectricity can be indirectly determined by transition peaks of dielectric constants. Room temperature ME effect can not be measured as-grown sample because of leakage current over 10 pA. To reduce leakage current, BSCFAO was annealed at 900 C for 9 days in oxygen environment. After this process, BSCFAO(x = 0.02, 0.04) show highly insulating behavior. hence, we were able to measure room temperature ME effect. As Al increases, ME susceptibility reaches 3000 ps/m near 40 mT at x =0.004. These results would apply to 0 T giant ME susceptibility at room temperature.