[論文レビュー] A Universal Phase Diagram for PMN-xPT and PZN-xPT

P. M. Gehring, W. Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2003

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用数 47

ひとこと要約

本論文は、PMN-xPTおよびPZN-xPTの緩和体に対する普遍的な相図を提案し、従来の斜方晶相の代わりに平均的に立方晶構造を示す新しい相Xを導入する。単結晶PMN-10%PTにおける高分解能中性子回折では、50 Kまで斜方晶の分裂が観察されず、長距離的な斜方晶秩序の不在を示す。代わりに、相Xへの体相転移が支持され、表面層効果および極性ナノ領域（PNR）の変位によって、これまでのX線と中性子の結果の矛盾が解消される。

ABSTRACT

The phase diagram of the Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 and PbTiO3 solid solution (PMN-xPT) indicates a rhombohedral ground state for x < 0.32. X-ray powder measurements by Dkhil et al. show a rhombohedrally split (222) Bragg peak for PMN-10%PT at 80 K. Remarkably, neutron data taken on a single crystal of the same compound with comparable q-resolution reveal a single resolution-limited (111) peak down to 50 K, and thus no rhombohedral distortion. Our results suggest that the structure of the outer layer of these relaxors differs from that of the bulk, which is nearly cubic, as observed in PZN by Xu et al.

研究の動機と目的

• PMN-10%PTの低温相に関するX線と中性子回折データの矛盾を解消すること。
• X線研究で観察された斜方晶相が体相の性質か、表面効果かを調査すること。
• PMN-xPTおよびPZN-xPTのような緩和体における相転移が、斜方晶相か、それとも新しい立方晶相Xを含むものかを特定すること。
• 緩和体ペロブスカイトにおける強誘電秩序と軟モードに関する、矛盾する報告を統合すること。

提案手法

• NIST中性子研究センターのBT9三軸分光計を用いた高分解能中性子回折。
• 0.0018 rlu FWHMのq分解能を達成するため、標準的でない設定でGe (220)完全結晶アナライザーを採用。
• 295 Kから50 Kまで、単結晶PMN-10%PTの(111)ブラッグピークを測定し、斜方晶の分裂を検出する。
• q分解能を最大化するために、細いビームコリメータ（10′-46′-S-20′-40′）と低中性子エネルギー（8.5 meV）を用いた。
• DkhilらのX線データおよびOhwadaらのPZN-8%PTおよびPZNに関する中性子データと比較した。
• 100 Kでの拡散散乱データを、二つのローレンツ型ピーク（斜方晶）と一つのガウス型ピーク（相X）の組み合わせでフィッティングし、表面および体積寄与をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PMN-10%PTは、X線データが示唆するように低温で体相の斜方晶歪みを示すか？
• RQ2 同じ化合物に対してX線と中性子回折実験が、なぜ斜方晶秩序に関して矛盾した結果をもたらすのか？
• RQ3 X線データで観察された斜方晶分裂は、体相転移ではなく表面効果によるものか？
• RQ4 PZN-xPTおよびPMN-xPT系は、斜方晶相への転移ではなく、新しい立方晶相Xへの転移を経るのか？
• RQ5 一様な変位δを持つ極性ナノ領域（PNR）が、相Xの安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• PMN-10%PTでは、50 Kまででも(111)ブラッグピークの斜方晶分裂が観察されず、高分解能（0.0018 rlu FWHM）でも長距離的な斜方晶秩序がないことを示している。
• 低温域での(111)ピークはほぼ分解能制限の幅を示し、Dkhilらが立方晶相の(222)で観測した幅と一致している。
• 100 Kでの拡散散乱は非対称な広がりを示し、表面層が斜方晶歪みを示す一方で、体相は立方晶のままであることを支持している。
• データは、結晶の外層が斜方晶構造を示し、体相が新しい立方晶相Xに転移するモデルを支持しており、X線と中性子の結果を統合する。
• 結果から、PMN-xPTおよびPZN-xPTはいずれも体相の斜方晶転移を経ず、代わりに極性ナノ領域（PNR）の均一な変位δによって安定化される新しい相Xを形成することが示唆される。
• PNRの大きなサイズ（約30–50 ų）と、それに伴う一様な変位δが、フェロエレクトリック相への融解を妨げ、相Xの安定化に寄与すると提案される。