Observation of nanotwinning and room temperature ferromagnetism in sub-5 nm BiFeO3 nanoparticles: a combined experimental and theoretical study

文献情報

出版日 2016-08-22
DOI 10.1039/C6CP04369K
インパクトファクター 3.676
著者

Mandar M. Shirolkar, Xiaolei Dong, Jieni Li, Shiliu Yin, Ming Li, Haiqian Wang


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要旨

Particle size significantly affects the properties and therefore the potential applications of multiferroics. However, is there special particle size effect in BiFeO3, which has a spiral modulated spin structure? This is still under investigation for sub-5 nm BiFeO3. In this report, the structural, electronic and magnetic properties are investigated for chemically synthesized BiFeO3 nanoparticles with an average size of 3 nm. We observed nanotwinning features in the specific size regime of the nanoparticles (2–4 nm). A weak Bi–O–Fe coordination and weak covalent nature has been observed in the nanoparticles through high-resolution electron energy loss spectroscopy and theoretical analysis, confirming that BiFeO3 nanoparticles a retain rudimentary R3c phase even at sub-5 nm dimensions. The R3c phase of sub-5 nm BiFeO3 nanoparticles has also been confirmed using Raman spectroscopy and Raman mapping of the vibrational modes. The nanoparticles display cluster spin glass, room temperature ferromagnetism, and a metamictization-davidite phase. The observation of weak magnetic entropy features confirmed the presence of a weak correlation between the magnetic and ferroelectric components. To support our experimental observations, we have simulated a sub-5 nm BiFeO3 nanocluster. Using density functional theory, the ferromagnetic ground state and the presence of a weak covalent nature in the nanocluster is established considering the first Brillouin zone, thus confirming our experimental results. Finding of new physicochemical features in sub-5 nm BiFeO3 would be beneficial for the understanding of the fundamental physical and chemical science as well as potential device development.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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