Multiferroic materials have been extensively studied because of the fundamental interests and practical applications related with the magnetoelectric effect. Among them, bismuth ferrite (BiFeO3) has received a great deal of attention since it is a unique single phase multiferroic where both ferroelectricity and anti-ferromagnetism coexist at room temperature. Recently it has been reported that a highly-elongated phase of BiFeO3 (T-BFO) in a tetragonal-like form can be stabilized by use of heteroepitaxial misfit strain. The physical properties of the T-BFO are expected to be largely different from those of the normal BiFeO3 (R-BFO), because the tetragonal elongation by more than 20 % is so huge as to modify all the electric, magnetic, and structural properties. However it is not available to grow very thick films of pure T-BFO phase due to appearance of R-BFO as a result of strain relaxation. Here we show that the use of NdAlO3 substrate with exactly matched in-plane lattice parameter enables us to stabilize pure T-BFO at least up to ~120 nm. We have synthesized the T-BFO films on various substrates including the NdAlO3 and more popular LaAlO3 using pulsed laser deposition (PLD). We have also characterized the structural properties by x-ray diffraction (XRD) and measured ferroelectric domains through piezo-response force microscopy (PFM). Investigations on the thickness dependence of the properties confirmed the films on NdAlO3 substrates have pure T-BFO phase over the whole thickness series, which makes it possible to study electrical measurements such as P-E hysteresis in future.
두 가지 이상의 강성질을 가지고 있는 다강체는 물성의 특성과 함께 자기전기 효과를 이용한 응용분야에서의 응용 분야에서 많은 연구가 이뤄지고 있다. 많은 다강체 중에서도 BiFeO3는 상온에서 강유전성과 반강자성을 동시에 갖는 물질로서 많은 주목을 받고 있다. 최근, 기존의 BiFeO3는 능면체 구조를 가지고 있으나 기판의 격자상수와 BiFeO3의 평면 방향 격자상수(in-plane lattice parameter)의 불일치로 인해서 발생하는 변형(misfit strain)에 의해서 c-축 격자상수가 20%이상 늘어난 정방정계 BiFeO3상(T-BFO phase)이 발견되었다. 20% 이상의 변화는 전기, 자기, 그리고 구조적 성질을 변형시킬 수 있을 정도로 크기 때문에 기존의 BiFeO3(R-BFO)와는 다른 물리적 성질을 가질 것으로 예상된다. 그러나 박막의 두께가 증가할수록 변형의 이완(strain relaxation)에 의해서 R-BFO가 나타나기 때문에 두꺼운 T-BFO박막을 성장시키고 물성을 이용하는데 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위해서 T-BFO와 평면 격자상수가 잘 맞는 NdAlO3기판을 이용하여 ~120nm까지 순수한 T-BFO가 안정화되는 것을 보였다. 또한 펄스 레이저 증착을 이용하여 NdAlO3기판과 일반적으로T-BFO를 증착시키는 LaAlO3기판 위에 T-BFO를 합성하였고, X-선 회절 분석계를 이용한 구조분석과 압전 힘 현미경(PFM)을 이용한 강유전 도메인 측정을 통해서 NdAlO3기판위에서 두께의 변화에 따라 성장한 T-BFO 박막들이 순수한 T-BFO상을 갖는 것을 확인 하였고 이는 P-E이력곡선(P-E hysteresis)와 같은 T-BFO의 전기적 특성을 측정할 수 있는 가능성을 제시하였다
