We report a systematic study on the magnetic, dielectric, and magnetoelectric (ME) properties of the Y-type hexaferrite (Ba0.4Sr1.6)Zn2(Fe11.3Al0.7)O22 single crystal. The phase diagrams were established by the observed magnetic anomalies under magnetic field and temperature scans for the in-plane and out-of-plane cases. Intrinsic large anisotropy in the magnetodielectric and converse ME effects was revealed. The spin-driven electric polarizations induced in the ab-plane and out-of-plane were found to be closely related to the transverse conical and alternating longitudinal conical spin structures, respectively. The amplitudes of varied magnetization ΔM are about ∼0.128 μB/f.u and ∼0.0178 μB/f.u. in the E oscillating between ±1 MV/m at 100 K, corresponding to the converse ME effect coefficient of ∼3500 ps/m and ∼480 ps/m for the in-plane and out-of-plane cases, respectively. All these results demonstrate the essential and unique spin-order-induced anisotropic ferroelectricity and ME properties in these Y-type hexaferrites.

1.
M.
Fiebig
,
T.
Lottermoser
, and
M.
Trassin
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16046
(
2016
).
2.
S.
Dong
,
J.-M.
Liu
,
S.-W.
Cheong
, and
Z. F.
Ren
,
Adv. Phys.
64
,
519
(
2015
).
3.
K.
Xu
,
X.-Z.
Lu
, and
H. J.
Xiang
,
npj Quantum Mater.
2
,
1
(
2017
).
4.
S.-W.
Cheong
,
npj Quantum Mater.
4
,
53
(
2019
).
5.
T.
Kimura
,
Annu. Rev. Condens. Matter Phys.
3
,
93
(
2012
).
6.
N.
Abe
,
K.
Taniguchi
,
S.
Ohtani
,
H.
Umetsu
, and
T.
Arima
,
Phys. Rev. B
80
,
020402
(
2009
).
7.
Z. Y.
Zhao
,
M.-F.
Liu
,
X.
Li
,
J. X.
Wang
,
Z. B.
Yan
,
K. F.
Wang
, and
J.-M.
Liu
,
J. Appl. Phys.
116
,
054104
(
2014
).
8.
G. Z.
Zhou
,
J. W.
Gong
,
X.
Li
,
M. F.
Liu
,
L. Y.
Li
,
Y.
Wang
,
J. H.
Min
,
J.
Liu
,
D.
Cai
,
F.
Liu
,
S. H.
Zheng
,
Y. S.
Tang
,
Z. C.
Xu
,
Y. L.
Xie
,
L.
Yang
,
M.
Zeng
,
Z. B.
Yan
,
B. W.
Li
,
X. Z.
Wang
, and
J.-M.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
252902
(
2019
).
9.
Y. J.
Choi
,
H. T.
Yi
,
S.
Lee
,
Q.
Huang
,
V.
Kiryukhin
, and
S.-W.
Cheong
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
047601
(
2008
).
10.
Y.
Wang
,
G. L.
Pascut
,
B.
Gao
,
T. A.
Tyson
,
K.
Haule
,
V.
Kiryukhin
, and
S.-W.
Cheong
,
Sci. Rep.
5
,
12268
(
2015
).
11.
R. C.
Pullar
,
Prog. Mater. Sci.
57
,
1191
(
2012
).
12.
K.
Zhai
,
D.-S.
Shang
,
Y.-S.
Chai
,
G.
Li
,
J.-W.
Cai
,
B.-G.
Shen
, and
Y.
Sun
,
Adv. Funct. Mater.
28
,
1705771
(
2018
).
13.
Y.
Tokunaga
,
Y.
Kaneko
,
D.
Okuyama
,
S.
Ishiwata
,
T.
Arima
,
S.
Wakimoto
,
K.
Kakurai
,
Y.
Taguchi
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
257201
(
2010
).
14.
Y.
Kitagawa
,
Y.
Hiraoka
,
T.
Honda
,
T.
Ishikura
,
H.
Nakamura
, and
T.
Kimura
,
Nat. Mater.
9
,
797
(
2010
).
15.
K.
Okumura
,
T.
Ishikura
,
M.
Soda
,
T.
Asaka
,
H.
Nakamura
,
Y.
Wakabayashi
, and
T.
Kimura
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
212504
(
2011
).
16.
K.
Taniguchi
,
N.
Abe
,
S.
Ohtani
,
H.
Umetsu
, and
T.-H.
Arima
,
Appl. Phys. Express
1
,
031301
(
2008
).
17.
V.
Kocsis
,
T.
Nakajima
,
M.
Matsuda
,
A.
Kikkawa
,
Y.
Kaneko
,
J.
Takashima
,
K.
Kakurai
,
T.
Arima
,
F.
Kagawa
,
Y.
Tokunaga
,
Y.
Tokura
, and
Y.
Taguchi
,
Nat. Commun.
10
,
1247
(
2019
).
18.
Y. S.
Chai
,
S.
Kwon
,
S. H.
Chun
,
I.
Kim
,
B.-G.
Jeon
,
K. H.
Kim
, and
S.
Lee
,
Nat. Commun.
5
,
4208
(
2014
).
19.
T.
Nakajima
,
Y.
Takahashi
,
S.
Kibayashi
,
M.
Matsuda
,
K.
Kakurai
,
S.
Ishiwata
,
Y.
Taguchi
,
Y.
Tokura
, and
T.-H.
Arima
,
Phys. Rev. B
93
,
035119
(
2016
).
20.
H.
Ueda
,
Y.
Tanaka
,
H.
Nakajima
,
S.
Mori
,
K.
Ohta
,
K.
Haruki
,
S.
Hirose
,
Y.
Wakabayashi
, and
T.
Kimura
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
182902
(
2016
).
21.
J.
Vít
,
F.
Kadlec
,
C.
Kadlec
,
F.
Borodavka
,
Y. S.
Chai
,
K.
Zhai
,
Y.
Sun
, and
S.
Kamba
,
Phys. Rev. B
97
,
134406
(
2018
).
22.
H. B.
Lee
,
Y.-S.
Song
,
J.-H.
Chung
,
S. H.
Chun
,
Y. S.
Chai
,
K. H.
Kim
,
M.
Reehuis
,
K.
Prokeš
, and
S.
Mat'aš
,
Phys. Rev. B
83
,
144425
(
2011
).
23.
S. H.
Chun
,
Y. S.
Chai
,
Y. S.
Oh
,
D.
Jaiswal-Nagar
,
S. Y.
Haam
,
I.
Kim
,
B.
Lee
,
D. H.
Nam1
,
K. T.
Ko
,
J. H.
Park
,
J. H.
Chung
, and
K. H.
Kim
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
037204
(
2010
).
24.
H.
Katsura
,
N.
Nagaosa
, and
A. V.
Balatsky
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
057205
(
2005
).
25.
I. A.
Sergienko
and
E.
Dagotto
,
Phys. Rev. B
73
,
094434
(
2006
).
26.
S.-P.
Shen
,
X.-Z.
Liu
,
Y.-S.
Chai
,
A.
Studer
,
K.
Rule
,
K.
Zhai
,
L.-Q.
Yan
,
D.-S.
Shang
,
F.
Klose
,
Y.-T.
Liu
,
D.-F.
Chen
, and
Y.
Sun
,
Phys. Rev. B
95
,
094405
(
2017
).
27.
K.
Zhai
,
Y.
Wu
,
S. P.
Shen
,
W.
Tian
,
H.
Cao
,
Y. S.
Chai
,
B. C.
Chakoumakos
,
D. S.
Shang
,
L. Q.
Yan
,
F. W.
Wang
, and
Y.
Sun
,
Nat. Commun.
8
,
519
(
2017
).
28.
Y. S.
Chai
,
S. H.
Chun
,
S. Y.
Haam
,
Y. S.
Oh
,
I.
Kim
, and
K. H.
Kim
,
New J. Phys.
11
,
073030
(
2009
).
29.
S.
Ishiwata
,
D.
Okuyama
,
K.
Kakurai
,
M.
Nishi
,
Y.
Taguchi
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. B
81
,
174418
(
2010
).
30.
T.
Nakajima
,
Y.
Tokunaga
,
M.
Matsuda
,
S.
Dissanayake
,
J.
Fernandez-Baca
,
K.
Kakurai
,
Y.
Taguchi
,
Y.
Tokura
, and
T.-H.
Arima
,
Phys. Rev. B
94
,
195154
(
2016
).
31.
H.
Nakajima
,
H.
Kawase
,
K.
Kurushima
,
A.
Kotani
,
T.
Kimura
, and
S.
Mori
,
Phys. Rev. B
96
,
024431
(
2017
).
32.
S.
Hirose
,
K.
Haruki
,
A.
Ando
, and
T.
Kimura
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
022907
(
2014
).
33.
S. P.
Shen
,
L. Q.
Yan
,
Y. S.
Chai
,
J. Z.
Cong
, and
Y.
Sun
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
032905
(
2014
).
34.
S. P.
Shen
,
Y. S.
Chai
, and
Y.
Sun
,
Sci. Rep.
5
,
8254
(
2015
).
35.
S. S.
Parkin
,
M.
Hayashi
, and
L.
Thomas
,
Science
320
,
190
(
2008
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.