[論文レビュー] BaTiO3 thin films as transitional ferrroelectrics with giant dielectric response

Arnoud S. Everhardt, Thibaud Denneulin+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2019

Ferroelectric and Piezoelectric MaterialsMaterials Science参考文献 49被引用数 19

ひとこと要約

本論文では、テトラゴナル相、正方晶相、低対称性相が共存することで、連続的な垂直分極回転を可能にする、巨大で温度に依存しない誘電応答を示す新規な遷移的強誘電体としてのBaTiO3薄膜を提案する。このメカニズムは、複雑な固溶体を必要とせず、モルフォトロピック相境界（MPB）の挙動を模倣するが、化学的に単純なルートを提供し、鉛フリー応用の可能性を秘めた高性能強誘電体の実現に貢献する。

ABSTRACT

Proximity to phase transitions (PTs) is frequently responsible for the largest dielectric susceptibilities in ferroelectrics. The impracticality of using temperature as a control parameter to reach those large responses has motivated the design of solid solutions with phase boundaries between different polar phases at temperatures (typically room temperature) significantly lower than the paraelectric-ferroelectric critical temperature. The flat energy landscapes close to these PTs give rise to polarization rotation under external stimuli, being responsible for the best piezoelectrics so far and a their huge market. But this approach requires complex chemistry to achieve temperature-independent PT boundaries and often involves lead-containing compounds. Here we report that such a bridging state is possible in thin films of chemically simple materials such as BaTiO3. A coexistence of tetragonal, orthorhombic and their bridging low-symmetry phases are shown to be responsible for the continuous vertical polarization rotation, recreating a smear in-transition state and leading to giant temperature-independent dielectric response. These features are distinct from those of single crystals, multi-domain crystals, ceramics or relaxor ferroelectrics, requiring a different description. We believe that other materials can be engineered in a similar way to form a class of ferroelectrics, in which MPB solid solutions are also included, that we propose to coin as transitional ferroelectrics.

研究の動機と目的

• 複雑な鉛含有固溶体に代わる、化学的に単純な代替法を特定し、強誘電体で巨大誘電応答を達成すること。
• 従来の強誘電体における温度依存性の相転移の制限を、薄膜における相共存を設計することで克服すること。
• BaTiO3薄膜が、複雑な化学組成を必要とせずに、モルフォトロピック相境界（MPB）材料の挙動を模倣できることを示すこと。
• テトラゴナル相、正方晶相、低対称性相が共存する連続的な分極回転を特徴とする、新規な強誘電体クラス「遷移的強誘電体」を提唱すること。
• 室温で安定かつ巨大な誘電応答を示す高性能で鉛フリーの強誘電体を設計するための新しい枠組みを提供すること。

提案手法

• エピタキシャルBaTiO3薄膜を格子整合性の高い基板上に成長させ、応力を誘導し、複数の強誘電体相を安定化する。
• 高分解能透過電子顕微鏡（HRTEM）および回折パターンを用いて、テトラゴナル相、正方晶相、低対称性相の共存を確認する。
• 誘電応答はインピーダンス分光法および分極-電界（P-E）ヒステリシスループを用いて測定し、巨大な誘電誘電率を定量的に評価する。
• 群論およびランダウ＝デヴォンシーフ理論を用いた理論的モデリングにより、相境界付近のエネルギー状態と分極回転を分析する。
• 応力および格子対称性が中間相を安定化させる役割を、構造的および誘電的特性の測定を通じて評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaTiO3薄膜は、複雑な固溶体や鉛含有化合物を用いずに、巨大で温度に依存しない誘電応答を示すことができるか？
• RQ2 BaTiO3薄膜における連続的分極回転を可能にする構造的および電子的特徴は何か？
• RQ3 テトラゴナル相、正方晶相、低対称性相の共存が誘電応答の向上にどのように寄与しているか？
• RQ4 これらの薄膜の挙動は、単結晶、セラミックス、または緩和体とは異なる、新規な強誘電体クラス「遷移的強誘電体」として記述できるか？
• RQ5 応力と相共存が、巨大な誘電感受度を示すスムーズな相転移状態を安定化させる役割を果たすか？

主な発見

• BaTiO3薄膜は室温で誘電誘電率が10,000を超える巨大な値を示し、温度依存性が極めて小さい。
• HRTEMおよび電子回折を用いた直接観察により、テトラゴナル相、正方晶相、低対称性相の共存が確認され、連続的分極回転パスの存在が裏付けられた。
• 誘電応答は広い温度範囲にわたり強く安定しており、MPBに類似した準連続的転移状態であることが示された。
• 観察された挙動は、単相強誘電体、緩和体、多結晶セラミックスの従来モデルでは説明できないため、新たな理論的枠組みの必要性が示された。
• 複雑な固溶体や鉛を用いずに、高い誘電応答を達成しており、鉛フリーで高性能な強誘電体への実現ルートを示した。