Magnetoelectric ( multiferroics ) 자기전기효과

 

가정	Ferroelectricity (강유전체) ferromagnetic)
요약
응용

 

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multiferroics이라는 단어는 말그대로 ferro-가 여러 개 있는 상황을 뜻합니다.

대표적인 ferro로 ferromagnetic(강자성체)가 있고,Ferroelectricity (강유전체)가 있습니다.

이외 ferroelasticity와 ferrotoroidicity가 있지만, 통상적으로 multiferroic은 ferromagnetism과 ferroelectric이 결합된 자성과 전기적 분극을 모두 갖고 있는 물질을 의미합니다.

 

ferroelectric과 ferromagnet은 서로 반대 물질특성을 갖고 있습니다. ferromangetic 물질은 잉여 spin을 갖느라 d orbital이 부분적으로 채워져 있고, ferroelectric은 perovskite 구조에서 이온결합을 하여 d orbital이 거의 없습니다. 따라서 두 가지 성질을 모두 가지려면 복잡한 물질을 만들어내야합니다. 이를 위해 다양한 방법으로 물질에서 mutiferroic을 제작할 수 있는데, 현재 나온 메커니즘으로는 아래 그림과 같이 요약할 수 있습니다.

https://doi.org/10.1038/s41563-018-0275-2

 그림에 대한 설명은 nature materials 지에 쓰인 doi.org/10.1038/s41563-018-0275-2을 참조하여 포스팅하겠습니다.

첫 번째로 Composites 방법으로 multiferroic을 만들기 위해 ferroelectric 물질과 ferromagnet 물질을 섞는 방법입니다. 최근 많은 사랑을 받고 있는 SrTiO2/PbTiO3도 그 후보 중 하나입니다.

 

두 번째로 Lone pair ferroelectricity, d-electron magnetism 방법으로 단일 물질로 구성하는 방법입니다. 대표적으로 Bismuth ferrite: BiFeO3라는 물질을 구성하는 방법인데 입체화학(stereochemical) 관점에서 중심 ion(여기서는 Bi)의 결합되지 않은 valence 전자가 비대칭을 만들어내어 발현됩니다. Bi의 6s 전자가 long pair(local dipole)를 형성하여 강유전성 자발 분극을 만들어내며, Fe의 3d 전자가 반 강자성체를 만들어 내는 원리 입니다. 꼭 Fe 필요 없이 Fe가 아닌 다른 자성체로도 제작할 수 있습니다.

 

세 번째로 d10ferroelectricity, f-electron magnetism도 단일 물질인데, d가 아닌 f 전자에서 자성을 띄게 됩니다.

 

네 번째로, Novel ferroelectricity, d-electron magnetism으로 d 전자 자성체에서 일반적이지 않은 강유전성을 끄집어내는 방법입니다. metastable phase나, distorion을 이용하는 방법으로 이 방법은 switching이 어렵습니다. 또한 domain도 일반적이지 않아 아직 연구가 더 필요한 상태입니다. Geometric한 메커니즘으로는 space filling이나 geometric constraint와 같은 현상에 의한 구조적인 불안정성이 원인이고, Charge ordering의 관점으로는 중심 ion의 valence 전자가 불규칙하게 분포하여 발생합니다.

 

5번째로 이제 강유전체말고 강자성체에 집중해보겠습니다. Spin driven machanism 이라고하는 Spin 에 의한 machanism은, DMI (Dzyaloshinskii-Moriya interaction)현상처럼 spin이 평형상태가 안닌 비스듬하게 배치된 상황에서 전하를 비대칭하게 움직여 강유전성을 만들어 낼 수 있습니다. 이외 Magnetostriction (자기변형)과 스핀궤도결합(spin orbit coupling)으로도 강유전성을 만들 수 있습니다.

https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.46

이중 두 번째 방법으로 제작한 Bismuth ferrite인 mutiferroic가 이 중 가장 두드러지는 특성을 나타내는데, Bi2O3와 Fe2O3가 혼합되어 상온에서 큰 polarization(~90 uC/cm2)을 가지고 3d 자성을 사용하여 coupling이 강하며, 구조적으로도 안정화되어있고, magnetoelectric 성질도 좋습니다.

 

아직 발전이 더 필요한 분야이지만, 성숙된다면 굉장한 성능을 보일수 있습니다. 예를 들어 MRAM (Magnetoresistive random-access memory)에서 전류를 가장 이상적으로 이용해도 저 저전력 swtiching은 ~10fJ정도 필요한데, 전기장으로 multiferroic switching이 된다면, ~1aJ 정도 에너지 소모가 됩니다.

 

반면 상온작동과 박막 두께에 대한 단점을 가지고 있어 산업 적용에는 아직 더 큰 발전이 있어야합니다.