ブックタイトル日本結晶学会誌Vol58No2

概要

日本結晶学会誌Vol58No2

96 日本結晶学会誌 第58 巻 第2 号（2016）日本結晶学会誌 58，96-102（2016）最近の研究から1．はじめにBiFeO3（BFO）は強誘電性および反強磁性の秩序を兼備したマルチフェロイックスの1 つである．1），2）BFOの強誘電性転移温度およびNeel温度は室温以上にあり，さらに電気磁気結合が室温以上で観測されてから，多値メモリ，低消費電力の電界駆動型不揮発性磁気メモリおよび超高感度磁気センサなどのスピントロニクスデバイスへの利用が期待されている．BFOの強誘電性に着目すると，最初の測定は菱面体晶構造のバルクBFOで行われ，そのときの自発分極値は3.5 μC/cm2であった．3）その後，（100）SrTiO3 （STO）基板上にエピタキシャル成長させた高品質BFO薄膜において60 μC/cm2の高い自発分極が室温で報告された．4）第一原理計算によると，正方晶BFOの自発分極値は150 μC/cm2，菱面体晶BFOは100 μC/cm2となることが報告5）されており，BFOの結晶対称性が自発分極に大きく影響することがわかる．強誘電体トンネル接合デバイス6）などでは高い自発分極を有する正方晶構造のBFOをトンネル障壁材料として用いることが望ましい．7）電気磁気効果に着目すると，結晶の対称性から菱面体晶BFOでは電気磁気効果は得られるが正方晶構造では現れない．菱面体晶構造のBFOと強磁性層が界面を形成すると反強磁性交換結合が生じるため，BFO/強磁性二層膜ではBFOの反強磁性面の反転に伴い強磁性層の磁化が変調もしくは反転することが報告されている．8）最近ではCoFe2O4のような結晶磁気異方性の高い（K1＝ 3 × 106 erg/cm3）材料でも室温で磁化反転が観測されており，電界により磁化を書き換えデバイスへの応用が期待されている．9）このようにBFOはデバイスの目的用途により結晶構造を制御する必要があることがわかる．これまでに，BFOエピタキシャル薄膜では基板との格子ミスフィットにより導入された応力，もしくは製膜条件・方法などのわずかな影響により，単斜晶歪みを有するCube-on-Cube10）および単斜晶歪みを有する菱面体晶11）ドメイン構造を有する単斜晶12）-14）などさまざまな結晶構造がX線回折およびX線逆格子空間マッピングの解析により報告されてきた．BFOの構造解析にはさまざまな方法が挙げられるが，ここでは一般によく使われているX線回折および電子線回折の2 つの方法を例に挙げ，長所と短所について述べる．通常のX線回折法を試料に加工する必要がないため簡便に利用できる点に特徴がある．しかし，エピタキシャル薄膜の場合は試料が基板と接しているため，通常のX線回折測定では基板の回折情報が薄膜試料の回折情報に重畳して，格子定数の近いヘテロエピタキシャル膜の構造解析を難しくすることがある．したがって，膜厚を数nmまで極薄化したトンネル障壁の構造解析をX線回折測定で明らかにすることは困難である．一方，透過型電子顕微鏡は三方位からの透過形電子顕微鏡観察と構造因子計算によるBiFeO3 エピタキシャル薄膜の結晶対称性の決定ニューヨーク州立大学ビンハムトン　裵ベ　寅インテ兌東北大学工学研究科応用物理学科，フランス国立科学研究センター／タレス，パリ南大学　永沼　博In-Tae BAE and Hiroshi NAGANUMA: Determination of Crystal Symmetry in EpitaxialBiFeO3 Films using Transmission Electron Microscopy and Structural Calculation byThree Different DirectionsDespite extensive studies on crystal structure of thin film BiFeO3（ BFO） thin film, it remainsdebated primarily due to its structural complexity as well as stress effect from underlying substrates.We have examined comprehensive crystal structure analysis for BFO thin layer （30 nm） grown onSrTiO3（ STO） substrate using cross-sectional transmission electron microscopy technique along threedifferent zone axes. Nano-beam electron diffraction（ NBED） patterns combined with structure factor（SF） calculations and high-resolution transmission electron microscopy images unambiguouslyreveal that BFO thin layer grows with rhombohedral structure that is identical to its bulk form. Noevidence of monoclinic and/or tetragonal distortion is found. The rhombohedral BFO thin layer isfound to grow onto STO by maintaining an epitaxial relationship in a manner that can minimize latticemismatch at BFO/STO interface. Our current work clearly demonstrates that multiple-zone axesNBED combined with SF calculation is highly effective for precise crystal structure analysis of thinfilm BFO.