$BiFeO_3$ (BFO) is a multiferroic material, which has ferroelectric and antiferromagnetic phases simultaneously at room temperature. Various order parameters in BFO such as ferroelectricity and ferromagnetism are coupled each other and they also interact with the crystal structure. The origin of each order parameter and the coupling have been investigated for understanding the basic principle underlying observed phenomena and ultimately realizing devices capable of controlling an order parameter by a non-conjugate field at room temperature.
Using pulsed laser deposition, BFO thin films with the tetragonal-like phase can be grown and stabilized on $LaAlO_3$ (LAO) substrates by misfit strain. Bismuth 6s lone pair electrons play a significant role in stabilizing the elongated tetragonal-like phase with a giant electric polarization. In this point of view, the reduction of the lone pair electrons of bismuth ions weakens the ferroelectric order, hence it greatly modifies the ferroelectric phase transition temperatures. Lanthanum A-site substitution in BFO is known to influence the monoclinic distortion angle and crystal symmetry, consequently changing the orientation of in-plane polarization.
In this study, 20% lanthanum-doped BFO (BLFO) thin films grown on LAO substrates are investigated for understanding the isovalent doping effects on the structural phase transitions of the BFO thin film system and the consequent emerging phenomena such as relaxor behaviors. The structural phase transitions are investigated by reciprocal space mapping with temperature changing and analyzed with consideration of the lanthanum substitution effect. The low-frequency dielectric relaxation observed at cryogenic temperatures is also analyzed by the modified Curie-Weiss law and the Vogel-Fulcher relation and it is interpreted based on the super-paraelectric theory.
비스무트 철산화물은 하나의 다강체 물질로써 상온에서 강유전성과 반강자성을 동시에 지닌다. 비스무트 철산화물에 내재된 강유전성과 반강자성과 같은 다강성에 포함되는 다양한 독립적인 성질들은 서로가 상호관계를 맺고 있으며 결정 구조와도 연관이 있다. 다강성에 포함되는 각각의 독립적인 성질들과 그것들의 상호관계에 대한 근원을 밝히기 위한 연구가 현재까지 계속하여 진행되고 있고, 이를 통해 실험으로 관측되는 여러 현상들을 설명할 수 있는 기초 원리를 이해하고 나아가 상온에서 다강성에 포함되는 각각의 독립적인 성질들을 서로 제어할 수 있는 기기를 만들고자 한다.
펄스 레이저 증착 방식을 사용하여 비스무트 철산화물 박막을 란타넘 알루미늄 산화물 기판 위에 성장시킬 수 있고, 이때 격자 부적합 변형에 의해 유사 정방정계 상을 가진 비스무트 철산화물 박막이 안정화 될 수 있다. 비스무트 여섯 번 째 에스 궤도 고립 전자쌍은 커다란 전기 분극을 갖는 길게 늘어진 유사 정방정계 상이 안정화 될 수 있는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 관점에서 볼 때, 비스무트 고립 전자쌍의 감소는 강유전성을 약화시키고 이에 따라 강유전성 상전이 온도가 낮아진다. 비스무트 철산화물에 란타넘을 도핑하면 분극 방향과 연관된 단사정계 기울어짐 각도가 변화한다는 것이 알려져 있다.
본 연구에서는 란타넘을 이십 퍼센트 도핑한 비스무트 철산화물을 란타넘 알루미늄 산화물 기판 위에 박막 형태로 증착한 뒤, 역격자 공간 지도를 통해 온도에 따른 구조 상전이를 조사하고 란타넘 도핑 효과를 고려하여 관측 결과를 분석한다. 또한 저온에서 관측되는 완화형 강유전성과 관련된 유전 상수 특이점 발생 현상을 수정된 퀴리-바이스 법칙과 보겔-펄쳐 의존 식을 통해 분석하고 초상유전 이론을 바탕으로 해석한다.
