Materials that have coupled electric, magnetic, and structural order parameters that result in simultaneous ferroelectricity, ferromagnetism, and ferroelasticity are known as multiferroics. In general, most ferromagnetics contain the center of symmetry and do not allow an electric polarization. Most of the ferroelectric oxides consist of transition-metal ions without the seed of magnetism, that is active d electrons. Both of them can not be multiferroics. As being rhombohedrally distorted perovskite structure and Fe - O -Fe indirect exchange coupling, $BiFeO_3$ has ferroelectric and antiferromagnetic properties simultaneously at room temperature, so called ferroelectromagnets. With this coexistence they supplement materials in which magnetization can be induced by an electric field and electrical polarization by a magnetic field, a property which is termed the magnetoelectric effect. In this thesis, $BiFeO_3$ thin films are fabricated by UHV rf magnetron sputtering system for magnetization to control by voltage based on magnetoelectric effect. To make epitaxial films, single crystal $SrTiO_3$ (100) with lattice mismatch (0.76 %) is used as substrate. $Bi_2O_3$ and $Fe_2O_3$ targets are prepared for co-sputtering and 3 Fe chips are added on $Fe_2O_3$ target for the stoichiometric compositions with 20 W rf power of $Bi_2O_3$ and 70 W $Fe_2O_3$. Sputtering gas is argon with the pressure of 2 mTorr. The temperature of substrate is between 350 ℃ and 400 ℃. Films are annealed at 850 ℃ in air. After all processes are done, We clearly observe XRD characteristic peaks of rhombohedral $BiFeO_3$. VSM and SQUID measurements reveal weak ferromagnetic properties at both room temperature and especially 5K with 72 Oe of the coercive field.
강유전성, 강자성, 그리고 강탄성과 같은 성질들을 동시에 가질수 있도록 전기적, 자기적, 구조적 상 변수가 결합된 물질들을 multiferrois 이라 한다. 일반적으로, 대부분의 강자성체는 중심대칭을 포함하기 때문에 전기적 분극을 가질 수 없다. 대부분의 강유전체는 자기적 성질을 주는 d 전자들이 없는 원소들로 구성되어 있기 때문에 자기적 성질을 가질 수 없다. 그래서 동시에 강자성체와 강유전체가 될 수 없다. 그러나 $BiFeO_3$ 는 강유전성과 반강자성의 성질을 상온에서 동시에 가지고, ferroelectromagnets이라 불리워 진다. 이 물질은 전기장에 의해서 자기화가 유도 되고, 자기장에 의해 전기적 분극이 유도 되는 magnetoelectric 효과를 가진다. 본 학위 논문에서는 $BiFeO_3$ 박막을 초고진공 rf magnetron spuutering 장비를 이용하여 제작하려 한다. 그래서 magnetoelectric 효과에 바탕을 두고 전압을 이용하여 자기화를 유도하려한다. 박막의 성장을 도와주기 위해 $BiFeO_3$ 와 lattice mismatch 가 0.76 %인 단결정 $SrTiO_3$ 를 기판으로 사용하였다. 박막의 조성을 얻기 위해 $BiFeO_3$ 와 $Fe_2O_3$ 을 동시에 증착하였고, $BiFeO_3$ 는 20 W, $Fe_2O_3$ 는 3개의 Fe 칩을 올려놓고 70 W로 전원을 인가하였다. 2 mTorr의 Ar 압력하에서 박막이 제작되었다. 증착시 기판의 온도는 350 ~ 400 ℃, 열처리는 850 ℃ 에서 공기중에서 행해졌다. 모든 과정 후에 확실한 rhombohedral $Fe_2O_3$ XRD 결과를 관찰하였다. 그리고 상온에서는 VSM을 이용하여 확실하지는 않지만 미약한 강자성을 그리고 특히 5 K에서는 SQUID를 이용하여 72 Oe의 보자력을 가짐을 관찰하였다.
