[論文レビュー] Is hexagonal InMnO3 ferroelectric?

Fei Huang, X. Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2013

Multiferroics and related materialsMaterials Science被引用数 21

ひとこと要約

本研究は、高度な電子顕微鏡法および分極測定を用いて、長年の論争である六方晶InMnO3の基底状態がP6₃cm対称性を有する強誘電体であることを実証し、トポロジカルな渦状ドメインを示した。高温相は非強誘電体のP̄3c1状態であり、室温に急冷することで保持可能であり、動的障壁により相転移が遅延していることが判明した。

ABSTRACT

The presence of ferroelectricity in hexagonal (h-)InMnO3 has been highly under debate. The results of our comprehensive experiments of low-temperature (T) polarization, TEM and HAADF-STEM on well-controlled h-InMnO3 reveal that the ground state is ferroelectric with P6_3cm symmetry, but a non-ferroelectric P-3c1 state exists at high T, and can be quenched to room T. We also found that the ferroelectric P6_3cm state of h-InMnO3 exhibits the domain configuration of topological vortices, as has been observed in h-REMnO3 (RE=rare earths).

研究の動機と目的

• 六方晶InMnO3が強誘電体であるかどうかという長年の論争を解決すること。
• 良好に制御された単相試料を用いて、InMnO3の真の結晶学的基底状態を同定すること。
• さまざまな熱歴史に応じたInMnO3における構造的および強誘電的相転移を調査すること。
• 原子の歪みと対称性の破れが、InMnO3における不適切な強誘電性を駆動する役割を特定すること。
• 非強誘電体のP̄3c1相の性質と、強誘電体基底状態との関係を明確にすること。

提案手法

• 強誘電的ヒステリシスループを検出するために低温での分極測定を実施した。
• ドメイン構造を像像し、反転対称性の破れを調べるために暗所透過電子顕微鏡（DF-TEM）を用いた。
• 原子分解能を有する高角度アンギュラー暗所フィールド走査型透過電子顕微鏡（HAADF-STEM）を用いて、InおよびMnイオンの変位を可視化した。
• ゆっくり冷却、オvens冷却、急冷処理を施した多結晶および単結晶InMnO3試料について、構造的分析を実施した。
• 散乱強度の異常を用いて、非対称中心（強誘電体）と対称中心（非強誘電体）の相を区別するためのフレデル則の分析を適用した。
• STEM-EDXを用いて元素の割り当てを確認し、HAADF-STEM像における原子列位置の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 六方晶InMnO3は強誘電体であり、その真の基底状態の結晶対称性は何か？
• RQ2 InMnO3における強誘電性に関する矛盾する報告の原因は何か？また、試料調製条件が観察される相にどのように影響するか？
• RQ3 非強誘電体のP̄3c1相は、室温で力学的に捕らえられる安定な高温相を示すのか？
• RQ4 h-REMnO3と同様に、InMnO3の強誘電体相にトポロジカルな渦状ドメインが存在するか？
• RQ5 P̄3c1相とP6₃cm相の間の相転移の性質は何か？なぜこの相転移は異常に遅延しているのか？

主な発見

• InMnO3の基底状態はP6₃cm対称性を有する強誘電体であり、100 Kでの分極-電場（P(E)）ヒステリシスループにおける飽和分極により確認された。
• トポロジカルな渦状ドメインが強誘電体相に観察され、h-REMnO3と類似した複雑な強誘電的秩序を示している。
• 高温では「下-非-上」Inイオン歪みを有する非強誘電体P̄3c1相が存在し、室温に急冷することで保持可能である。
• オvens冷却試料では、強誘電体マトリックス中に「下-非-上」In配置を有するナノスケールのPUA（部分的に歪んでいない反強誘電体）島が埋め込まれている。
• HAADF-STEM像により、「上-上-下」配置におけるInのオフセンター変位が確認され、Mnイオンは中心に位置していることが判明し、強誘電的歪み機構が裏付けられた。
• 高温のP̄3c1相から低温のP6₃cm相への相転移は遅く、動的障壁によって妨げられているため、一部の試料に非強誘電体相が持続していることが説明された。