[論文レビュー] Elastic precursor effects during Ba1−xSrxTiO3 ferroelastic phase transitions

F. Cordero, F. Trequattrini+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2022

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、Ba₁₋ₓSrₓTiO₃固溶体における弾性プリカーソル軟化を調査し、BaTiO₃においては弾性軟化が750 Kまで持続することを明らかにした。このときのべき乗則指数はκ ≈ 0.2であり、変位的系の予想される下限値よりも顕著に低い。結果は、Ba含有量の増加に伴い、変位的から弱い秩序/無秩序的性質への遷移が、動的局所ナノ構造および軟らかく揺らぐフォノンフラクチュエーションによって駆動されることを示唆している。

ABSTRACT

Elastic softening in the paraelastic phases of Ba$_{1-x}$Sr$_{x}$TiO$_{3}$ is largest near the transition temperatures and decreases on heating smoothly over extended temperature ranges. Softening extends to the highest measured temperature(850~K) for Ba-rich compounds. The temperature evolution of the excess compliance of the precursor softening follows a power law $δS\propto |T-T_{\mathrm{C}}|^{-κ}$\ with a characteristic exponent $κ$\ ranging between 1.5 in SrTiO$_{3}$\ and 0.2 in BaTiO$_{3}$. The latter value is below the estimated lower bounds of displacive systems with three orthogonal soft phonon branches (0.5). An alternative Vogel-Fulcher analysis shows that the softening is described by extremely low Vogel-Fulcher energies $E_{a}$, which increase from SrTiO$_{3}$% \ to BaTiO$_{3}$\ indicating a change from a displacive to a weakly order/disorder character of the elastic precursor. Mixed crystals of Ba$_{x}$% Sr$_{1-x}$TiO$_{3}$ possess intermediate behaviour. The amplitudes of the precursor elastic softening increases continuously from SrTiO$_{3}$ to BaTiO$% _{3}$. Using power law fittings reveals that the elastic softening is still $% 33\%$ of the unsoftened Young's modulus at temperatures as high as 750 K in BaTiO$_{3}$ with $κ\simeq $ 0.2. This proves that the high temperature elastic properties of these materials are drastically affected by elastic precursor softening.

研究の動機と目的

• Ba₁₋ₓSrₓTiO₃の反強誘電相における弾性軟化の温度依存的変化を、強誘電性相転移領域で調査すること。
• 軟化のべき乗則およびVogel-Fulcher挙動を分析することで、弾性プリカーソル効果の性質を特定すること。
• Sr/Ba比に応じた相転移機構における変位的から秩序/無秩序的性質への遷移を評価すること。
• 高温における弾性軟化の程度を定量し、高温における機械的挙動に与える影響を検討すること。

提案手法

• 850 Kまでにわたる温度依存の弾性適合率（過剰適合率δS）をBa₁₋ₓSrₓTiO₃固溶体で測定した。
• 弾性軟化の温度依存性をべき乗則δS ∝ |T − TC|⁻κでフィッティングし、臨界指数κを抽出した。
• 活性化エネルギーEaを用いたVogel-Fulcher解析を適用し、熱的に駆動される動的挙動をモデル化した。
• 固溶体系列（x = 0から1）の間で挙動を比較し、SrTiO₃からBaTiO₃への傾向を同定した。
• 軟モード結合およびフォノンフラクチュエーションの理論的モデルを用いて、観察された軟化メカニズムを解釈した。
• 反強誘電相における動的局所ナノ構造および極性ナノ領域の存在と、軟化挙動を関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Ba₁₋ₓSrₓTiO₃の反強誘電相における弾性軟化は、温度に応じてどのように変化するか。また、高温域での軟化の程度はどの程度か。
• RQ2 べき乗則記述δS ∝ |T − TC|⁻κにおける臨界指数κの値は何か。また、固溶体系列全体でどのように変化するか。
• RQ3 BaTiO₃における弾性プリカーソル軟化は、変位的系の予想される下限値（κ ≥ 0.5）から逸脱しているか。これは相転移メカニズムにどのような含意をもたらすか。
• RQ4 Vogel-Fulcher解析から得られる活性化エネルギーEaは、SrTiO₃からBaTiO₃にかけてどのように変化するか。これは相転移の性質に何を明らかにするか。
• RQ5 動的局所ナノ構造および軟らかく揺らぐフォノンフラクチュエーションは、観察された弾性軟化にどの程度寄与しているか。

主な発見

• Ba-richなBa₁₋ₓSrₓTiO₃における弾性軟化は850 Kまで持続し、この温度で過剰適合率δSは未軟化状態のヤング率の33%に達している。
• BaTiO₃における臨界指数κは約0.2に測定され、3つの直交する軟フォノンモードを有する変位的系の理論的下限値0.5よりも顕著に低い。
• Vogel-Fulcherの活性化エネルギーEaは、SrTiO₃からBaTiO₃にかけて増加しており、相転移メカニズムにおける変位的から弱い秩序/無秩序的性質へのシフトを示している。
• Ba_xSr1−xTiO₃固溶体は中間的挙動を示し、固溶体系列全体で軟化挙動が連続的に変化することを確認した。
• κ ≈ 0.2のべき乗則フィッティングδS ∝ |T − TC|⁻κは、相転移温度よりもはるかに高い温度域でも、弾性軟化を強固に記述できる。
• 結果は、Ba₁₋ₓSrₓTiO₃の高温における弾性特性がプリカーソル軟化によって著しく影響を受けることを示しており、動的局所ナノ構造の強い影響を示唆している。