We report the appearance of weak ferromagnetism above the long-range canted antiferromagnetic order TN = 553 K at which the Fe-Cr interactions become dominant in YFe0.9Cr0.1O3. The weak ferromagnetic order above TN appears due to the increasing magnetic interactions in Fe-sublattices resulting in a canted antiferromagnetic transition at TFe-Fe = 620 K. Electrical hysteresis loop studies and Positive-Up Negative-Down protocol measurements reveal spontaneous but weak ferroelectricity in the system. Dielectric measurements as a function of temperature and frequency reveal a relaxorlike dielectric anomaly within a temperature interval of 400–500 K and anomalous signatures at and temperatures above TN. Synchrotron x-ray diffraction studies over a broad temperature range, 298–873 K, illustrate a significant magnetoelastic coupling at TN and around TFe-Fe. Isostructural distortions are further revealed over the temperature range of 400–500 K from the x-ray diffraction studies. Analyses of the diffraction patterns reveal the delicate interplay between the in-plane and out-of-plane exchange interactions over TN and in isostructural distortion regions. We strongly argue that the ferroelectricity in YFe0.9Cr0.1O3 results from the magnetostriction and Dzyaloshinskii-Moriya interaction manifested through a significant magnetoelastic coupling at TN and TFe-Fe.

2.
S. W.
Cheong
and
M.
Mostovoy
,
Nat. Mater.
6
,
13
(
2007
).
3.
B.
Lorenz
,
Y.-Q.
Wang
, and
C.-W.
Chu
,
Phys. Rev. B
76
,
104405
(
2007
).
4.
J.
Su
,
Z. Z.
Yang
,
X. M.
Lu
,
J. T.
Zhang
,
L.
Gu
,
C. J.
Lu
,
Q. C.
Li
,
J.-M.
Liu
, and
J. S.
Zhu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
(
24
),
13260
13265
(
2015
).
5.
H.
Nhalil
,
H. S.
Nair
,
C. M. N.
Kumar
,
A. M.
Strydom
, and
S.
Elizabeth
,
Phys. Rev. B
92
,
214426
(
2015
).
6.
M. P.
Singh
,
K. D.
Truong
,
S.
Jandl
, and
P.
Fournier
,
J. Appl. Phys.
107
,
09D917
(
2010
).
7.
H.
Murakawa
,
Y.
Onose
,
F.
Kagawa
,
S.
Ishiwata
,
Y.
Kaneko
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
197207
(
2008
).
8.
Y.
Tokunaga
,
S.
Iguchi
,
T.
Arima
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
097205
(
2008
).
9.
J.-H.
Lee
,
Y. K.
Jeong
,
J. H.
Park
,
M.-A.
Oak
,
H. M.
Jang
,
J. Y.
Son
, and
J. F.
Scott
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
117201
(
2011
).
10.
S.
Chaturvedi
,
P.
Shyam
,
A.
Apte
,
J.
Kumar
,
A.
Bhattacharyya
,
A. M.
Awasthi
, and
S.
Kulkarni
,
Phys. Rev. B
93
,
174117
(
2016
).
11.
P.
Mandal
,
V. S.
Bhadram
,
Y.
Sundarayya
,
C.
Narayana
,
A.
Sundaresan
, and
C. N. R.
Rao
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
137202
(
2011
).
12.
Y.
Tokura
,
S.
Seki
, and
N.
Nagaosa
,
Rep. Prog. Phys.
77
,
076501
(
2014
).
13.
F.
Pomiro
,
R. D.
Sánchez
,
G.
Cuello
,
A.
Maignan
,
C.
Martin
, and
R. E.
Carbonio
,
Phys. Rev. B
94
,
134402
(
2016
).
14.
L. H.
Yin
,
J.
Yang
,
P.
Tong
,
X.
Luo
,
W. H.
Song
,
J. M.
Dai
,
X. B.
Zhu
, and
Y. P.
Sun
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
192904
(
2017
).
15.
N.
Dasari
,
P.
Mandal
,
A.
Sundaresan
, and
N. S.
Vidhyadhiraja
,
Europhys. Lett.
99
,
17008
(
2012
).
17.
18.
O. V.
Billoni
,
F.
Pomiro
,
S. A.
Cannas
,
C.
Martin
,
A.
Maignan
, and
R. E.
Carbonio
,
J. Phys. Condens. Matter
28
,
476003
(
2016
).
19.
M. K.
Sharma
,
K.
Singh
, and
K.
Mukherjee
,
J. Magn. Magn. Mater.
414
,
116
(
2016
).
20.
B.
Rajeswaran
,
P.
Mandal
,
R.
Saha
,
E.
Suard
,
A.
Sundaresan
, and
C. N. R.
Rao
,
Chem. Mater.
24
,
3591
(
2012
).
21.
V. G.
Nair
,
A.
Das
,
V.
Subramanian
, and
P. N.
Santhosh
,
J. Appl. Phys.
113
,
213907
(
2013
).
22.
R. A.
Young
,
The Rietveld Method
(
Oxford University Press
,
Oxford
,
1993
).
23.
A. P.
Hammersley
,
S. O.
Svensson
,
M.
Hanfland
,
A. N.
Fitch
, and
D.
Hausermann
,
High Press. Res.
14
,
235
(
1996
).
24.
P.
Mandal
,
C. R.
Serrao
,
E.
Suard
,
V.
Caignaert
,
B.
Raveau
,
A.
Sundaresan
, and
C. N. R.
Rao
,
J. Solid State Chem.
197
,
408
(
2013
).
25.
S.
Raut
,
P. D.
Babu
,
R. K.
Sharma
,
R.
Pattanayak
, and
S.
Panigrahi
,
J. Appl. Phys.
123
,
174101
(
2018
).
26.
M. B.
Stearns
and
Y.
Cheng
,
J. Appl. Phys.
75
(
10
),
6894
(
1994
).
27.
S.
Duhalde
,
M. F.
Vighnolo
,
F.
Golman
 et al.,
Phys. Rev. B
72
,
161313(R)
(
2005
).
28.
S.
Kumar
,
I.
Coondoo
,
M.
Vasundhara
,
A. K.
Patra
,
A. L.
Kholkin
, and
N.
Panwar
,
J. Appl. Phys.
121
,
043907
(
2017
).
29.
F.
Bloch
, “
Zur theorie des ferromagnetismus
,”
Z. Phys.
61
,
206
219
(
1930
) (in German).
30.
B. S.
Kang
,
S. K.
Choi
, and
C. H.
Park
,
J. Appl. Phys.
94
(
3
),
1904
(
2003
).
31.
G.
Lawes
,
T.
Kimura
,
C. M.
Varma
,
M. A.
Subramanian
,
N.
Rogado
,
R. J.
Cava
, and
A. P.
Ramirez
,
Prog. Solid State Chem.
37
,
40
54
(
2009
).
32.
R.
Katoch
,
C.
Dhana Sekhar
,
V.
Adyam
,
J. F.
Scott
,
R.
Gupta
, and
A.
Garg
,
J. Phys. Condens. Matter
28
,
075901
(
2016
).
33.
S.
Seki
,
Y.
Onose
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
067204
(
2008
).
34.
S.
Seki
,
Y.
Yamasaki
,
M.
Soda
,
M.
Matsuura
,
K.
Hirota
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
127201
(
2008
).
35.
N.
Mufti
,
G. R.
Blake
,
M.
Mostovoy
,
S.
Riyadi
,
A. A.
Nugroho
, and
T. T. M.
Palstra
,
Phys. Rev. B
83
,
104416
(
2011
).
36.
S.
Sharma
,
T.
Basu
,
A.
Shahee
,
K.
Singh
,
N. P.
Lalla
, and
E. V.
Sampathkumaran
,
Phys. Rev. B
90
,
144426
(
2014
).
37.
C.-S.
Kim
,
B.-E.
Jun
,
H.-H.
Baek
,
D.-J.
Kim
,
Y.-H.
Hwang
,
H.-K.
Kim
,
G. S.
Jeen
, and
J. N.
Kim
,
J. Korean Phys. Soc.
42
,
S1038
S1041
(
2003
).
38.
J. F.
Scott
,
B.
Pouligny
,
K.
Dimmler
,
M.
Parris
,
D.
Butler
, and
S.
Eaton
,
J. Appl. Phys.
62
,
4510
(
1987
).
39.
J. F.
Scott
,
L.
Kammerdiner
,
M.
Parris
,
S.
Traynor
,
V.
Ottenbacher
,
A.
Shawabkeh
, and
W. F.
Oliver
,
J. Appl. Phys.
64
,
787
(
1988
).
40.
J. F.
Scott
,
C. A.
Araujo
,
H. B.
Meadows
, and
L. D.
McMillan
,
J. Appl. Phys.
66
,
1444
(
1989
).
41.
Y. S.
Chai
,
Y. S.
Oh
,
L. J.
Wang
,
N.
Manivannan
,
S. M.
Feng
,
Y. S.
Yang
,
L. Q.
Yan
,
C. Q.
Jin
, and
K. H.
Kim
,
Phys. Rev. B
85
,
184406
(
2012
).
42.
S. K.
Upadhyay
,
V.
Raghavendra Reddy
,
A.
Gupta
,
V.
Sathe
,
R. J.
Choudhary
,
V.
Ganesan
, and
D. M.
Phase
,
Mater. Res. Express
1
,
026101
(
2014
).
43.
M.
Shang
,
C.
Zhang
,
T.
Zhang
,
L.
Yuan
,
L.
Ge
,
H.
Yuan
, and
S.
Feng
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
062903
(
2013
).
44.
A.
Panchwanee
,
V.
Raghavendra Reddy
, and
A.
Gupta
,
J. Magn. Magn. Mater.
448
,
38
42
(
2018
).
45.
S. M.
Feng
,
Y. S.
Chai
,
J. L.
Zhu
,
N.
Manivannan
,
Y. S.
Oh
,
L. J.
Wang
,
Y. S.
Yang
,
C. Q.
Jin
, and
K. H.
Kim
,
New J. Phys.
12
,
073006
(
2010
).
46.
D. C.
Wallace
,
Thermodynamics of Crystals
(
Dover
,
New York
,
1998
).
47.
H. S.
Nair
,
C. M. N.
Kumar
,
H. L.
Bhat
,
S.
Elizabeth
, and
Th.
Brückel
,
Phys. Rev. B
83
,
104424
(
2011
).
48.
A. K.
Singh
,
S.
Patnaik
,
S. D.
Kaushik
, and
V.
Siruguri
,
Phys. Rev. B
81
,
184406
(
2010
).
49.
A. M.
Glazer
,
Acta Cryst. B
28
,
3384
(
1972
).
50.
M. N.
Iliev
,
M. V.
Abrashev
,
H.-G.
Lee
,
V. N.
Popov
,
Y. Y.
Sun
,
C.
Thomsen
,
R. L.
Meng
, and
C. W.
Chu
,
Phys. Rev. B
57
,
2872
(
1998
).
51.
K.
Dey
,
A.
Karmakar
,
S.
Majumdar
, and
S.
Giri
,
Phys. Rev. B
87
,
094403
(
2013
).
52.
K.
Dey
,
S.
Majumdar
, and
S.
Giri
,
Phys. Rev. B
90
,
184424
(
2014
).
53.
S. M.
Selbach
,
J. R.
Tolchard
,
A.
Fossdal
, and
T.
Grande
,
J. Solid State Chem.
196
,
249
(
2012
).
54.
K.
Dey
,
A.
Karmakar
,
S.
Majumdar
, and
S.
Giri
,
Scr. Mater.
75
,
94
(
2014
).
55.
K.
Dey
,
A.
Karmakar
,
A.
Indra
,
S.
Majumdar
,
U.
Rütt
,
O.
Gutowski
,
M. V.
Zimmermann
, and
S.
Giri
,
Phys. Rev. B
92
,
024401
(
2015
).
56.
L. C.
Chapon
,
G. R.
Blake
,
M. J.
Gutmann
,
S.
Park
,
N.
Hur
,
P. G.
Radaelli
, and
S.-W.
Cheong
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
177402
(
2004
).
57.
Y.
Yamasaki
,
S.
Miyasaka
,
Y.
Kaneko
,
J.-P.
He
,
T.
Arima
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
207204
(
2006
).
58.
Y. J.
Choi
,
J.
Okamoto
,
D. J.
Huang
,
K. S.
Chao
,
H. J.
Lin
,
C. T.
Chen
,
M.
van Veenendaal
,
T. A.
Kaplan
, and
S.-W.
Cheong
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
067601
(
2009
).
59.
A. M.
Kadomtseva
 et al.,
Sov. Phys. JETP
45
,
1202
(
1977
).
60.
S. D.
Bhame
,
V. L. J.
Joly
, and
P. A.
Joy
,
Phys. Rev. B
72
,
54426
(
2005
).
61.
H.
Yi
,
N. H.
Hur
, and
J.
Yu
,
Phys. Rev. B
61
,
9501
(
2000
).
62.
G. J.
Liu
,
J. R.
Sun
,
J. Z.
Wang
, and
B. G.
Shen
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
222503
(
2006
).
63.
M.
Fukunaga
, and
Y.
Noda
,
J. Phys. Soc. Jpn.
77
(
6
),
064706
(
2008
).
64.
U.
Chowdhury
,
S.
Goswami
,
D.
Bhattacharya
,
A.
Midya
, and
P.
Mandal
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
092902
(
2016
).
65.
P.
Schiffer
,
A. P.
Ramirez
,
W.
Bao
, and
S.-W.
Cheong
,
Phys. Rev. Lett.
75
,
3336
(
1995
).
66.
H.
Kuwahara
,
Y.
Tomioka
,
A.
Asamitsu
,
Y.
Moritomo
, and
Y.
Tokura
,
Science
270
,
961
(
1995
).
67.
E.
Dagotto
,
Nanoscale Phase Separation and Colossal Magneto-Resistance
(
Springer
,
Berlin
,
2002
).
68.
V. K.
Pecharsky
,
A. P.
Holm
,
K. A.
Gschneidner
, Jr.
, and
R.
Rink
,
Phys. Rev. Lett.
91
,
197204
(
2003
).
69.
P.
Sande
,
L. E.
Hueso
,
D. R.
Miguens
,
J.
Rivas
,
F.
Rivadulla
, and
M. A.
López-Quintela
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
2040
(
2001
).
70.
K.
Ullakko
,
J. K.
Huang
,
C.
Kantner
,
R. C.
O’Handley
, and
V. V.
Kokorin
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
1966
(
1996
).
71.
G. H.
Wu
,
C. H.
Yu
,
L. Q.
Meng
,
J. L.
Chen
,
F. M.
Yang
,
S. R.
Qi
,
W. S.
Zhan
,
Z.
Wang
,
Y. F.
Zheng
, and
L. C.
Zhao
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
2990
(
1999
).
72.
H.
Katsura
,
N.
Nagaosa
, and
A. V.
Balatsky
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
057205
(
2005
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.