Multiferroic YCrO3 thin films: Structural, ferroelectric and magnetic properties

Multiferroic YCrO3 thin films: Structural, ferroelectric and magnetic properties

Accepted Manuscript Title: Multiferroic YCrO3 thin films: structural, ferroelectric and magnetic properties Authors: J.J. Gervacio-Arciniega, E. Muril...

1MB Sizes 0 Downloads 133 Views

Accepted Manuscript Title: Multiferroic YCrO3 thin films: structural, ferroelectric and magnetic properties Authors: J.J. Gervacio-Arciniega, E. Murillo-Bracamontes, O. Contreras, J.M. Siqueiros, O. Raymond, A. Dur´an, D. Bueno-Baques, D. Valdespino, E. Cruz-Valeriano, C.I. Enr´ıquez-Flores, M.P. Cruz PII: DOI: Reference:

S0169-4332(17)32611-9 http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.09.011 APSUSC 37090

To appear in:

APSUSC

Received date: Revised date: Accepted date:

14-3-2017 20-6-2017 3-9-2017

Please cite this article as: J.J.Gervacio-Arciniega, E.Murillo-Bracamontes, O.Contreras, J.M.Siqueiros, O.Raymond, A.Dur´an, D.Bueno-Baques, D.Valdespino, E.Cruz-Valeriano, C.I.Enr´ıquez-Flores, M.P.Cruz, Multiferroic YCrO3 thin films: structural, ferroelectric and magnetic properties, Applied Surface Sciencehttp://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.09.011 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Multiferroic YCrO3 thin films: structural, ferroelectric and magnetic properties  J. J. Gervacio‐Arciniega1,2,a), E. Murillo‐Bracamontes1, O. Contreras1, J. M. Siqueiros1, O. Raymond1, A. Durán1, D. Bueno‐Baques5, D.  Valdespino3, E. Cruz‐Valeriano4, C. I. Enríquez‐Flores4, M. P. Cruz1  1

Centro de Nanociencias y Nanotecnología, Universidad Nacional Autónoma de México, Km. 107 Carretera Tijuana-Ensenada, AP 14, Ensenada, B.C., México, C.P. 22860.

2

CONACYT-BUAP, Postgrado en Física Aplicada, Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Av. San Claudio y Av. 18 sur, Col. San Manuel Ciudad Universitaria, Puebla, Pue. 72570, México. 3

Posgrado en Nanociencias, Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Carretera Ensenada-Tijuana 3918, Zona Playitas, Baja California, 22860, México. 4

5

CINVESTAV Unidad Querétaro, Lib. Norponiente 2000, Real de Juriquilla, 76230 Querétaro, Qro., México.

Centro de Investigación en Química Aplicada, Blvd. Enrique Reyna Hermosillo No. 140, Saltillo, Coah., C.P. 25250, México.

Graphical Abstract 

  Highlights (for review)    

Highly oriented YCrO3/SrTiO3 films grown by magnetron sputtering are reported.   A structural, ferroelectric and magnetic study of YCrO3/SrTiO3 films is shown.  These results will encourage further studies on origin of ferroelectricity in YCrO3. 

Highly oriented and locally epitaxial multiferroic YCrO3 (001) thin films, 20 nm thick, were deposited by r.f.  magnetron  sputtering  on  SrTiO3  (110)  substrates  at  890ºC.  The  structure  was  investigated  by  x‐ray  diffraction  and  cross  section  high  resolution  transmition  electron  microscopy,  a  clear  local  matching  between  the  YCrO3  film  and  the  substrate  was  observed.  Ferroelectricity  was  confirmed  by  means  of 

                                                             a)

Author to whom correspondence should be addressed. Electronic mail: [email protected]

1

switching areas with opposite polarization directions, first and second harmonic electromechanical signals,  and local hysteresis ferroelectric curves obtained by piezoresponse force microscopy. Additionally, below  the Néel temperature, a clear ferromagnetic hysteresis loop was observed. These results will encourage  further studies on the mechanism that promotes the ferroelectric nature in YCrO3 compound.  Keywords: YCrO3  Highly oriented  Multiferroic 

1. Introduction  Coexistence  of  ferroelectric  and  magnetic  properties  in  a  single  compound  gives  rise  to  a  new  class  of  materials, called multiferroics, with promising applications in future technology. Among the few existing  single  phase  multiferroics,  YCrO3  has  been  one  of  the  least  studied  mainly  because  its  ferroelectric  properties had been overshadowed by high dielectric loss [1–10]. It is well known that ferromagnetism in  this  compound  is  caused  by  a  canted  antiferromagnetic  array;  TN~140K  [1,2,11],  this  property  is  quite  reproducible in ceramics [2] and YCrO3 films, even as thin as 20nm, deposited on Pt [12]. Ferroelectricity,  on the other hand, is associated to the peak around 430 K in the permittivity versus temperature curve,  corresponding to a paraelectric‐ferroelectric transition. According to Ramesha et al [3], the origin of this  transition  is  the  local  non‐centrosymmetry  caused  by  the  Cr  displacement  along  the  z‐direction  of  the  perovskite‐type  unit  cell.  However,  polarization  as  function  of  voltage  curves  in  bulk  ceramics  were  so  rounded  [1]  that  it  was  not  possible  to  elucidate  whether  polarization  was  due  to  free  charge  or  to  ferroelectricity. Yet, in a previous work on polycrystalline YCrO3 films grown on Pt/TiO2/Si substrates, it was  demonstrated  that  decreasing  film  thickness  down  to  approximately  20nm,  diminishes  free  charge  accumulation because of the reduction of grain boundaries [8]. Therefore, it would be reasonable to infer  that, with no grain boundaries, as in epitaxial films, better ferroelectric properties should be attained, as  was  indeed  found  for  other multiferroics,  [13,  14]. Related  to this  matter,  Seo  and coworkers  prepared  YCrO3 films on Rh crystalline substrates and, even though epitaxy was not reached, better film orientation 

2

allowed the observation of an improved, less lossy, ferroelectric hysteresis loop [9]. Still, the obtainment of  YCrO3 epitaxial films, aim of this work, is necessary to further enhance the ferroelectric properties that allow  performing  basic  studies  on  ferroelectric  domain  structure,  polarization  switching  and  ferroelectric‐ magnetic coupling mechanisms.  2. Experimental details  YCrO3 films were deposited on SrTiO3(110) substrates, by r. f. magnetron sputtering as described in [8] using  a  deposition  temperature  of  890ºC.  This  temperature  was  chosen  based  in  a  previous  work  on  films  deposited  on  Pt  substrates  at  room  temperature,  where  a  heat  treatment  at  ~900ºC  was  needed  to  achieved a pure, well define YCrO3 crystalline phase [8]. Film thickness and film‐substrate interface were  characterized by cross‐sectional transmission electron microscopy (TEM) in a JEOL JEM‐2010 instrument,  also  employed  for  the  acquisition  of  electron  diffraction  patterns.  X‐ray  diffraction  (XRD)  data  were  collected in a Panalitycal X’pert Pro MRD diffractometer with monochromatic Cu‐Kα1 radiation, the pole  figures were measured for a ψ‐polar angle range between 30° and 60°, in steps of 0.7°, and Φ‐azimuthal  angle  scanning  from  0  to 360°,  in  steps of 1°,  and  exposition  times  of 3  s  for  YCO  and  1  s  for  STO. The  magnetization  data  as  function  of  the  magnetic  field  were  taken  with  a  Quantum  Design  6000  physical  properties measurement system (PPMS) with a vibrating sample magnetometer (VSM), at 40Hz with the  applied magnetic field oriented along the film plane. An XE‐70 Scanning Probe Microscope (SPM) from Park  Systems was employed for the analysis of ferroelectric properties by piezoresponse force microscopy (PFM)  in the contact resonance mode with an external SR865 Stanford Research Systems Inc. lock‐in amplifier.  3. Results and discussion  As  was  expected,  based  in  a  previous  publication  on  films  grown  on  Pt  substrates  [8],  a  deposition  temperature of 890 ºC resulted in a single phase YCrO3 (YCO), as is shown in the x‐ray diffraction pattern in  Fig. 1(a), however, in this occasion, a perovskite monocrystalline (110)‐oriented SrTiO3 (STO(110)) substrate  was used. The YCO film pattern, indexed according to the ICDD 340565 file, shows a highly (001)‐oriented  film with an orthorhombic structure Pnma. Besides, in the uniform film thickness of around 20 nm (see Fig. 

3

1(b)),  an  atomically  sharp  film‐substrate  interface  was  observed,  as  depicted  in  the cross‐sectional  high  resolution transmission electron microscopy (HRTEM) image in Figure 1(c). The parameters for the YCO film  lattice, calculated from the electron diffraction pattern shown in Fig. 1(d), were: aYCO=5.523 Å, bYCO=7.534  Å, and cYCO=5.242 Å, similar to those reported in the literature for bulk ceramic [15]. A simulation of the  YCO structure is illustrated in Fig. 2(a).  STO has a cubic structure with a lattice parameter of aSTO = 3.904 Å, thus the STO(110) substrate surface has  a rectangular lattice of 3.904 Å in width and, along the [1 ‐1 0]STO direction, 5.521Å in length, as is indicated  in Fig. 2(b). Therefore, the obtained aYCO = 5.523 Å value matches very well with the lattice parameter of  the STO(110) surface along the [1 ‐1 0]STO, while bYCO = 7.534 Å is just a little bit shorter than 2aSTO by 0.274  Å. Consequently a YCO(001) films will grow incommensurately on STO(110) substrates, as is schematized in  Figure 2(b), and the film would experience a tensile stress in the [010]YCO direction. Figures 2(c) and 2(d) are  top and side views along [001]YCO and [010]YCO directions that illustrate the atomic distribution overlapping  of the unit cells of the film and substrate. Due to the fact that the film is actually non‐epitaxial but highly  oriented, as is appreciated in the HRTEM image on Fig. 1c, and confirmed by the pole figures shown of Fig.  3, the imperfections created at the substrate‐film interface would help to release the mentioned stress.  To  determine  the  epitaxial  degree  of  the  film  growth,  several  pole  figures  for  different  crystallographic  planes were measured. As representative cases, Figs. 3(a) and 3(b) show the high resolution (202) and (200)‐ pole  figures  of  the  YCO  thin  film  and  STO  substrate  measured  at  2YCO  =  47.8°  and  2STO  =  46.48°,  respectively, calculated from the lattice parameters discussed above. As expected for the normal (001)YCO  and (110)STO crystallographic orientations, only two peaks are observed in the pole figures,  associated to  the twofold symmetry of the YCO orthorhombic and STO cubic structures in such orientations; besides, the  spatial  positions  of  the  {202}  peaks  for  the  YCO  are  in  excellent  agreement  with  the  lattice  parameters  determined  by  electron  diffraction.  Moreover,  the  Φ‐scan  obtained  at  ψYCO  =  43.3°  and  ψSTO  =  44°  are  illustrated  also  in  Fig.  3(a)  and  3(b)  where  the  {202} peaks  for  the  YCO films  are  very  sharp  as  a  strong  confirmation of a very small in‐plane misorientation, in good correspondence with the local epitaxial growth  at the YCO/STO interface observed in the HRTEM image in Fig. 1(c). 

4

The ferroelectric behavior of the YCrO3 sample was verified by resonance piezoresponse force microscopy  analysis of the out‐of‐plane component of the polarization. Polarization reversal was attained by applying  a dc voltage of +10V in a 1.5x1.5μm2 area of the sample, and then ‐10V in a 0.5x0.5 μm2 zone in the center.  An  rms  roughness  of  0.52nm  was  calculated  from  Fig.  4(a).  Polarization  switching  is  inferred  from  the  observed change in contrast, from dark to bright, of the phase‐PFM image in Fig. 4(c). On the other hand,  the PFM hysteresis loops dependency on the Vac observed in Fig. 4(e), shows the expected behavior for  ferroelectric samples [16],  a coercive voltage of 4.5V was calculated from this loops. In order to discard any  artifact  in  the  contrast  of  the  PFM  images  due  to  irreversible  electrochemical  effects,  absence  of  topography damage was verified. For non‐ferroelectric effects, such as surface charges or electrostriction,  the relative amplitude of the first and second harmonics of the piezoresponse were analyzed following the  method proposed by Q. N. Chen et al [16] see Fig. 4(d). The electrostatic contribution to the hysteresis  curves was also reduced was also reduced by using the “off‐dc mode” of the PFM hysteresis technique.  Ferromagnetism was confirmed in the film by measurements of magnetization as a function of the applied  magnetic field, at a temperature of 5 K. The hysteretic behavior, attributed to a canted antiferromagnetic  ordering [1, 8] is clearly observed in the graph in figure 4(f).   4. Conclusions  Locally epitaxial (001)‐oriented orthorhombic YCrO3 films, grown on SrTiO3(110) substrates, were obtained  by r.f. magnetron sputtering. The films are multiferroic as polarization reversal, therefore ferroelectricity,  was demonstrated through domain switching using PFM, and a clear ferromagnetic behavior was clearly  displayed at 5 K. A coercive voltage of 4.5 V for a 20 nm thick film was calculated from a local phase‐PFM  hysteresis curve. These results will be taken as a starting point for further studies about the relation of the  film‐substrate strain and orientation and the ferroelectric domain structure, the magnetic properties and  their coupling.   Acknowledgments 

5

Thanks are due to F. Ruiz, M. Adelaido Landaverde, Gilberto F. Hurtado López, J. López Mendoza, E. Aparicio,  and P. Casillas for their technical assistance. This work has been supported in part by PAPIIT‐UNAM Proj.  IN109016,  IN107708,  IN103016,  IN104414,  IN110315  and  IN110315  and  IN105317;  and  CONACyT  proj.  174391 and 166286.  References  [1] 

 C.R. Serrao, A.K. Kundu, S.B. Krupanidhi, U. V. Waghmare, C.N.R. Rao, Biferroic YCrO3, Phys. Rev. 

B ‐ Condens. Matter Mater. Phys. 72 (2005) 2–5. doi:10.1103/PhysRevB.72.220101.  [2] 

 V.  Bedekar,  R.  Shukla,  A.K.  Tyagi,  Nanocrystalline  YCrO3  with  onion‐like  structure  and  unusual 

magnetic behaviour, Nanotechnology. 18 (2007) 155706. doi:10.1088/0957‐4484/18/15/155706.  [3] 

 K.  Ramesha,    a  Llobet,  T.  Proffen,  C.R.  Serrao,  C.N.R.  Rao,  Observation  of  local  non‐

centrosymmetry in weakly biferroic YCrO 3, J. Phys. Condens. Matter. 19 (2007) 102202. doi:10.1088/0953‐ 8984/19/10/102202.  [4] 

 S. Krishnan, N. Kalarikkal, Synthesis of YCrO3 nanoparticles through PAA assisted sol‐gel route, J. 

Sol‐Gel Sci. Technol. 66 (2013) 6–14. doi:10.1007/s10971‐013‐2959‐z.  [5]  

J. Bahadur, D. Sen, S. Mazumder, V.K. Aswal, V. Bedekar, R. Shukla,  a. K. Tyagi, Effects of sintering 

on  microstructure  and  dielectric  response  in  YCrO3  nanoceramic,  Pramana.  71  (2009)  959–963.  doi:10.1007/s12043‐008‐0207‐9.  [6] 

 J.H.K.I.M.  Ã,  H.S.  Hin,  S.K.  Im,  J.M.  Oon,  B.L.  Ee,  Formation  of  YCrO3  Thin  Films  using  Radio‐

Frequency Magnetron Sputtering Method for a Wide Range Thermistor Application, Jpn, J. Appl. Phys. 42  (2003) 575–578. doi:10.1143/JJAP.42.575.  [7] 

 Z.X.  Cheng,  X.L.  Wang,  S.X.  Dou,  H.  Kimura,  K.  Ozawa,  A  novel  multiferroic  system:  Rare  earth 

chromates, J. Appl. Phys. 107 (2010) 7–10. doi:10.1063/1.3360358.  [8] 

 M.P. Cruz, D. Valdespino, J.J. Gervacio, M. Herrera, D. Bueno‐Baques, A. Durán, J. Muñoz, A.C. 

García‐Castro,  F.J.  Espinoza‐Beltrán,  M.  Curiel,  J.M.  Siqueiros,  Piezoelectric  and  ferroelectric  response 

6

enhancement  in  multiferroic  YCrO3  films  by  reduction  in  thickness,  Mater.  Lett.  114  (2014)  148–151.  doi:10.1016/j.matlet.2013.10.009.  [9] 

 J.D. Seo, J.Y. Son, Room temperature ferroelectricity of YCrO3 thin films on Rh single crystals, J. 

Cryst. Growth. 375 (2013) 53–56. doi:10.1016/j.jcrysgro.2013.04.016.  [10] Y. Sharma, P. Misra, R.S. Katiyar, Unipolar resistive switching behavior of amorphous YCrO 3 films for  nonvolatile memory applications, 084505 (2014) 1–6. doi:10.1063/1.4893661.  [11] Y. Sharma, S. Sahoo, W. Perez, S. Mukherjee, Phonons and magnetic excitation correlations in weak  ferromagnetic YCrO3, 183907 (2014). doi:10.1063/1.4875099.  [12] C.M. Araujo, S. Nagar, M. Ramzan, R. Shukla, O.D. Jayakumar, A.K. Tyagi, Y. Liu, J. Chen, P. Glans, C.  Chang, A. Blomqvist, E. Holmstro, L. Belova, J. Guo, R. Ahuja, K. V Rao, Disorder‐induced Room Temperature  Ferromagnetism in Glassy Chromites, (2014) 1–6. doi:10.1038/srep04686.  [13] 

 Y.H.  Chu,  L.W.  Martin,  Q.  Zhan,  P.L.  Yang,  M.P.  Cruz,  K.  Lee,  M.  Barry,  S.Y.  Yang,  R.  Ramesh, 

Epitaxial Multiferroic BiFeO3 Thin Films: Progress and Future Directions, Ferroelectrics. 354 (2007) 167– 177. doi:10.1080/00150190701454867.  [14] H. Paik, H. Kim, J. Hong, Applied Surface Science Epitaxial growth and multiferroic properties of cation‐ engineered (Bi0.45La0.05Ba0.5)(Fe0.75Nb0.25)O3 thin film on Ir‐buffered (0 0 1) MgO substrate, Appl. Surf.  Sci. 334 (2015) 52–57. doi:10.1016/j.apsusc.2014.08.012.  [15]  

Powder Diffraction File, Card No. 340365, Natl. Bur. Stand. (U. S.) Monogr. 23, 19, 83 (1982).  

[16] 

 N.  Balke,  P.  Maksymovych,  S.  Jesse,  A.  Herklotz,  A.  Tselev,  C.  Eom,  I.I.  Kravchenko,  P.  Yu,  S.  V 

Kalinin, Differentiating Ferroelectric and Nonferroelectric Electromechanical Effects with Scanning Probe  Microscopy, ACS Nano. 9 (2015) 6484–6492. doi:10.1021/acsnano.5b02227.  [17] Q.N. Chen, Y. Ou, F. Ma, J. Li, Mechanisms of electromechanical coupling in strain based scanning probe  microscopy, Appl. Phys. Lett. 104 (2014) 2–6. doi:10.1063/1.4884422. 

7

 

  Figure 1. (a) XRD pattern; cross section (b) TEM and (c) HRTEM images and (d) electron diffraction pattern  for the YCrO3(001) film grown on a SrTiO3(110) substrate.  

 

8

  Figure 2. (a) YCO unit cell, (b) schematics of the YCO cells on the (110)STO plane. (c) top and (d) side views  along the [001]YCO and [010]YCO directions, respectively, of the atomic overlapping of YCO and STO lattices. 

 

  Fig. 3. Pole figures and Φ‐scans at the maximum of the (a) {202} reflections and (022) pole, and (b) {200}  reflections and (200) pole, for the YCO film and STO substrate, respectively.  

 

9

  Figure 4. (a) Topography, (b) amplitude‐PFM, (c) phase‐PFM, (d) first and second PFM harmonics, (e)  hysteresis loops in the off dc mode at different Vac and (f) magnetization as a function of magnetic field,  at 5K, of the YCrO3 film grown on a SrTiO3(110) substrate. 

  

 

10