[論文レビュー] Composition induced diffused to relaxor ferroelectric phase transition in lead-free (1-x)(Li0.12Na0.88)NbO3-xBaTiO3 (0 to x to 0.40) ferroelectric ceramics

Supratim Mitra, Ajit R. Kulkarni|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2014

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、誘電分光法を用いて、鉛フリー (1-x)(Li0.12Na0.88)NbO3-xBaTiO3セラミックス（x = 0 から 0.40）における組成駆動型相転移を調査した。x ≥ 0.225 で拡散的強誘電相転移（FE-DPT）からリラクサー強誘電体（RFE）行動へのクロスオーバーが示され、その理由は、異なる緩和ダイナミクスを示す極性ナノ領域（PNRs）の進化と、Vogel-Fulcher則に従う周波数依存の誘電最大値によって支配されるものである。

ABSTRACT

(1-x)Li0.12Na0.88NbO3-xBaTiO3 (0 to x to 0.40) ferroelectric ceramics were prepared using conventional ceramics route and their phase transitional behavior is investigated by using dielectric spectroscopy. The temperature-dependent dielectric permittivity epsilon'(T) shows a diffused ferroelectric-paraelectric transition for all compositions. An acceptable and competent characterizing parameter (D) of diffused phase transition (DPT), defined by Uchino et al. [J Am Ceram Soc 2010;93:4011], was measured and validated. Interestingly, a crossover from diffused ferroelectric phase transition (FE-DPT) to relaxor ferroelectric (RFE) transition is found for the composition x greater than equal to 0.225. The FE-DPT is characterized by a frequency-independent temperature of dielectric maxima (Tm), while a RFE is found to have frequency-dependent Tm satisfying Vogel-Fulcher relation. The composition induced crossover is attributed to the dynamics of different PNR size and relaxation times that varies with different BaTiO3 content (x) leading to the appearance of a FE-DPT or RFE.

研究の動機と目的

• バリウムチタン酸塩含有量の変化に伴う鉛フリー (1-x)(Li0.12Na0.88)NbO3-xBaTiO3 セラミックスにおける相転移挙動を理解すること。
• 強誘電相転移が拡散的からリラクサー的性質に移行する組成の閾値を特定すること。
• 誘電応答とその極性ナノ領域（PNRs）のダイナミクスおよび緩和時間との相関を明らかにすること。
• Uchinoの拡散度パラメータ（D）を用いることで、相転移タイプを信頼性高く特徴付けることができるかを検証すること。
• 誘電最大値（Tm）の周波数依存性が Vogel-Fulcher則に従うかどうかを検証し、リラクサー行動の有無を確認すること。

提案手法

• x = 0 から 0.40 の範囲で、従来の固体状態セラミックス処理法を用いて (1-x)(Li0.12Na0.88)NbO3-xBaTiO3 セラミックスを合成した。
• 相転移特性を分析するために、温度依存の誘電誘電率（ε′(T)）測定を実施した。
• Uchinoらの式を用いて、相転移の拡散度を定量化するための拡散度パラメータ D を計算した。
• 誘電率最大値（Tm）の周波数依存性を分析し、FE-DPT（周波数に依存しない）と RFE（周波数に依存する）挙動を区別した。
• 周波数依存の Tm データを Vogel-Fulcher 方程式にフィッティングし、リラクサー強誘電体行動の妥当性を確認した。
• バリウムチタン酸塩含有量（x）の増加に伴う PNR のサイズおよび緩和ダイナミクスの変化を、相転移メカニズムの説明に結びつけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリウムチタン酸塩含有量（x）がどの程度の値で、強誘電相転移が拡散的からリラクサー的性質に移行するか。
• RQ2 x の増加に伴い、誘電率最大値（Tm）の周波数依存性はどのように変化するか。また、Vogel-Fulcher則に従うか。
• RQ3 極性ナノ領域（PNRs）が FE-DPT から RFE 行動への移行を媒介する役割を果たすか。
• RQ4 Uchino の拡散度パラメータ D は x に従ってどのように変化するか。また、相転移タイプの信頼性ある指標として有効か。
• RQ5 バリウムチタン酸塩含有量の増加に伴う相転移挙動の変化を引き起こす微細構造的または動的要因は何か。

主な発見

• x ≥ 0.225 で、明確な拡散的強誘電相転移（FE-DPT）からリラクサー強誘電体（RFE）行動へのクロスオーバーが観察された。
• x < 0.225 の場合、誘電率最大値（Tm）は周波数に依存せず、FE-DPT 行動を確認した。
• x ≥ 0.225 の場合、Tm は強い周波数依存性を示し、Vogel-Fulcher方程式に良好にフィットした。これにより、RFE 性質が裏付けられた。
• Uchino の拡散度パラメータ D は x の増加に伴い増加し、拡散度の増大を示した。ピークは x ≈ 0.225 付近で観察され、その後安定化した。
• この相転移は、バリウムチタン酸塩含有量の増加に伴い進化する極性ナノ領域（PNRs）に起因し、緩和時間の広がりがもたらされた。
• 本研究では、D を用いた鉛フリー強誘電体セラミックスにおける相転移の拡散度の特徴付けが、信頼性ある指標であると検証された。