多鐵材料為在其材料系統中同時具有多種磁性及電性的有序特 性，如鐵電性、(反)鐵磁性、鐵彈性等特性，且各項特性間彼此有偶 合的現象如磁電偶合等。而鐵酸鉍所具有的特性為鐵電性以及反鐵磁 性，因此以下將先簡介與其有關的磁性以及鐵電性質在介紹鐵酸鉍的 基本性質。
2-1 鐵電性質
一般傳統的材料晶體如石英或是鑽石，在有外加電場的情況下將 會令其產生電極化(electric polarization)且其極化程度會隨外加電場改 變，而在外加電場消失後其極化亦會消失。但是有部分材料晶體其在 沒有外加電場的情況下，其仍然具有極化的現象，這一類的晶體稱其 具有自發極化(spontaneous polarization)的特性[9,10]。
將自然界中的各種材料晶體以對稱性作為其區分依據可將其分 成32 種點群(point group)。其中 11 種為中心對稱因此其不具有極性 並且也同樣不具有壓電特性及鐵電特性。剩餘的21 種非對稱點群中 大多數都具有壓電特性。而在這些具有壓電特性的點群中，有10 種 只具有單一旋轉軸，且無垂直於此軸的鏡面對稱，這一類型具有自發 極化特性。因其非中心對稱，當其內部陰陽離子在非中心位置即會產 生出偶極矩，產生極化現象。而在某些溫度範圍內，材料內部陰陽離
子各在其具有最低自由能的平衡位置，但此時若陰陽離子的中心位置 不一致將造成自發極化現象。當此自發極化方向可隨外加電場方向而 改變時稱其具有鐵電性。以鈣鈦礦(Pervoskite)結構為例，正負電荷的 相對位移，可產生電偶極矩[10-12]。
鐵電性晶體其內部可分成若干個小區域，這些小區域稱之為疇域 (domain)，其中自發極化方向一致的區域稱為鐵電晶域。一般來說，
各個小區域間的電偶極矩方向不同，使得淨極化量為零。當有適當的 外加電場時，域壁會隨外加電場而移動，造成小區域內的極化方向平 行於外加電場，使得晶體的淨極化量不再為零，如圖2-1 所示。
圖2-1 鐵電域極化示意圖，左圖為無外加電場，右圖為有外加電 場造成極化方向平行於外加電場。
2-2 磁性質
固態材料的磁性質主要是來自原子的磁力矩，而在原子中的磁力 矩主要來自於電子的自旋，通常定義每一個電子自旋所產生的磁力矩 為一個波爾磁子(Bohr magnetron)。而形成磁力矩的類型最主要可分 為三種:(1)因電子自旋所產生的磁力矩(2)因電子繞原子核所產生的 磁力矩以及(3)因外加磁場所產生的反磁力矩[10]。
一般來說，磁性可以分成順磁性、反磁性、鐵磁性、反鐵磁性以 及亞鐵磁性五種。以2-2-1 式表示材料中磁化強度 M
M = χ H Eq (2-2-1)
上式中χ
: magnetism susceptibility，H
為外加磁場大小，而其中鐵磁 性及亞鐵磁性的χ
值遠大於順磁性和反磁性。圖 2-2[13]為表示磁性材料中磁偶極矩的排列方式，由於磁偶極 矩間交互作用的不同，因此能將排列方式分為以下幾種[10-14]﹕
(a) 順磁性:
順磁材料內每個原子皆具永久磁矩，此磁矩產生是由於電子自旋或軌 道運動。在外加磁場作用下，物體本身將產生方向外加磁場相同的微 弱磁化量，而順磁的
χ
約為10-4，且χ
>0。(b) 反磁性:
當在外加磁場
H
作用時，物體本身所產生的微弱磁化量的方向與外加 磁場相反。也就是說，在反外加磁場的作用之後，必會產生一個與外 加磁場反向的磁矩，此現象稱反磁現象，χ
約為10-5，且χ
<0。(c) 鐵磁性:
鐵磁性在無外加磁場下也會有自發磁化，且其磁化量很大甚至具有永 久磁化的的特性。而自發磁矩的存在意味著電子自旋與磁矩有著規則 的排列，其
χ
為五種磁性中最大。(d) 反鐵磁性:
在反鐵磁體裡，其相鄰的兩原子的自旋方向為反平行，因此造成淨磁 矩為零。在反鐵磁體裡雖有磁矩的排列，但總體看來沒有並沒有磁 性。而MnO是為人熟知的代表，它具有離子特性，是由Mn2+與O2-離 子構成，由於自旋是反平行排列，因此磁矩互相抵消，可視為整體無 淨磁力。
(e) 亞鐵磁性:
亞鐵磁性和鐵磁性其巨觀磁特性很類似，主要差異在於淨磁力矩的磁
源。它的微觀磁結構與反鐵磁的磁矩結構相似，但相反排列的磁矩不 等量，因此亞鐵磁是未抵銷完全的反鐵磁結構所形成之鐵磁性物質，
χ
較鐵磁性為小，其中最為人知的就是Fe3O4鐵磁礦。圖2-2 在不同的磁性材料中磁偶極矩的排列方式[13]。
2-3 鐵酸鉍材料的基本特性
鐵酸鉍的晶格結構為類鈣鈦礦結構(Pervoskite-like)(ABO3)，在鐵 酸鉍中A位置為鉍(Bi)的正三價離子，B位置為鐵(Fe)的正三價離子，
而O為氧(O)的負二價離子。因其屬於菱面晶系(Rhombohedral System) 而非立方晶系因而稱其為類鈣鈦礦結構，如圖 2-3[15]所示，其晶格 參數為ar =3.96 Å，αr=0.6 ˚。其可視為將鈣鈦礦結構的立方晶胞向[111]
軸方向伸長，因而成為菱面晶系。而因為此扭曲造成鐵酸鉍中的鉍離 子 (Bi3+)以及鐵氧離子(FeO6)所構成的八面體偏移平衡點，造成正負 電荷的相對位移，因而產生自發極化。這現象也是鐵酸鉍的鐵電特性 產生的原因，其鐵電方向指向<111>，如圖 2-4[16]。
此外鐵酸鉍同時具有反鐵磁性，其反鐵磁性主要來自於鐵離子沿 著(111)平面的自旋極化，而此結構有兩個重要的訊息:第一為因鉍離 子與鐵氧離子優選之反鐵磁平面與鐵電極化的方向互相垂直，在此優 選的反鐵磁平面上有六種等量的易磁化軸，因此每個平面會有一種磁 矩，如圖2-4[15]。而因為鐵酸鉍的反鐵磁平面與鐵電極化方向互相垂 直，使得反鐵磁相與鐵電相之間有交互作用。此外，其反鐵磁的類型 為G-型(G-Type)反鐵磁，指的是在<111>方向上相鄰的鐵離子彼此具 有相反的自旋極化方向，如圖2-5(a)[17]。近來的研究指出，鐵酸鉍除 了具有相當大的鐵電極化量以外，其反鐵磁的次晶格會有D-M 型 (Dzyaloshinskii-Moriya Type)的交互作用，亦即相鄰的具有不同方向 磁矩之平面，其相對的夾角並非180 o 整，而是有些微角度的差異。
這使得靜磁場的總和不為零，並具有一微小的鐵磁矩分量，如圖 2-5(b)[17]。除此之外，鐵酸鉍(BiFeO3)有著高鐵電居里溫度(Curie Temperature，TC ～1103 K)以及高尼爾溫度(Néel Temperature，TN ～ 643 K)為室溫的多鐵材料擁有製作成元件之潛力[7,18-19]。
圖2-3 鐵酸鉍的鉍離子(Bi)與鐵氧離子(FeO6)構成的八面體沿[111]軸 向具有相對位移[15]。
圖2-4 鐵酸鉍之鐵電極化方向與反鐵磁平面關係圖。圖中只以代表性 之鐵電極化方向呈現，鐵酸鉍含有八種極化異變體，共對應至 四個結構異變體，其中反鐵磁平面之法向量與鐵電極化方向平 行[16]。
圖2-5 (a) 鐵酸鉍 G 型反鐵磁結構在相鄰平面磁矩水平分量在同一直 線上時，其淨磁矩為零。
(b) 相鄰的鐵離子之磁矩分量間有一小夾角，使得其靜磁矩不 為零，因而產生鐵磁矩[17]。
在本實驗中所使用的樣品為朱英豪老師所提供的沒有底電極層 (SrRuO3, SRO)的BiFeO3(001)/STO薄膜厚度為 500 nm。雖然加上底電 極層可控制鐵酸鉍上的鐵電極化方向，但是亦會對激發探測實驗產生 影響，因此為簡化實驗並且只針對鐵酸鉍進行分析才使用此樣品。