[論文レビュー] Morphotropic interfaces in PMN-PT single crystals

I. Rafalovskyi, Maël Guennou+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2013

Solid-state spectroscopy and crystallography被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、PMN-0.32PT単結晶をデポーリング温度（T_RT ≈ 360 K）付近で電場冷却後にゼロ場加熱を行う過程で、テトラゴナル様およびルチルホーラル様相の間で、macroscopicで平面的なモルフォトロピック界面の形成を示している。光学顕微鏡および偏光Raman分光法を用いて、これらの界面がT_RTの近傍でのみ出現する安定なmmスケールの相境界であることが同定され、強化された圧電性を示すモルフォトロピック相境界材料の理解に不可欠な、以前に観察されていなかったマクロな相共存を明らかにした。

ABSTRACT

The paper describes heterostructures spontaneously formed in PMN-PT single crystals cooled under bias electric field applied along [001]pc and then zero-field-heated in the vicinity of the so-called depoling temperature. In particular, formation of lamellar structures composed of tetragonal-like and rhombohedral-like layers extending over macroscopic (mm) lengths is demonstrated by optical observations and polarized Raman investigations.

研究の動機と目的

• ゼロ場加熱の過程におけるPMN-0.32PT単結晶の構造的・相的進化を調査すること。
• T_RT付近で観察されたマクロなストライプ状のコントラストの原因を特定すること。
• 空間分解能を有する偏光Raman分光法を用いて、交互に現れる明るいと暗いストライプの相の同定を確認すること。
• マクロな相界面がモルフォトロピック相境界（MPB）材料におけるドメイン工学および機能的性質に与える影響を検討すること。
• 将来的な研究に向け、PMN-PT単結晶におけるマクロなモルフォトロピック界面を安定化させるためのプロトコルを確立すること。

提案手法

• PMN-0.32PT単結晶（厚さ0.5 mm）を[001]pc方向に300 V/mmの電場を印けて、5 K/minで470 Kまで冷却する。
• 360 Kまで5 K/minの速度でゼロ場加熱を行い、マクロなストライプパターンが出現した。
• イン・サイト光学顕微鏡を用いて、サンプルの端縁に対して約45°の角度で配向する平行な10–100 μmの厚さのストライプの形成を観察した。
• 514.5 nmレーザーを用い、(001)pc面に照射し、Linkam TS 1200高温セル内に設置されたRenishaw RM 1000分光計を用いて偏光Raman分光法を実施した。
• Raman測定中に温度および電場を制御し、入射光の偏光方向を角度変化させて、異方性光学応答を測定した。
• 明るいストライプと暗いストライプの間のRaman強度比を比較し、テトラゴナル様相とルチルホーラル様相を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PMN-0.32PT単結晶において、T_RT付近のゼロ場加熱時にマクロな平行ストライプが形成される原因は何か？
• RQ2 観察された明るいと暗いストライプは、明確に区別されるフェロエレクトリック相に対応しているか。もしそうならば、それぞれの相は何か？
• RQ3 偏光Raman分光法は、これらのストライプにおけるテトラゴナル様相とルチルホーラル様相を区別できるか？
• RQ4 界面の幾何的特徴（例：楔型、配向）は、その背後にある相転移および歪みの整合性とどのように関係しているか？
• RQ5 電場冷却に followed するゼロ場加熱というこのプロトコルは、材料工学の分野でマクロなモルフォトロピック相境界を安定化させるために利用可能か？

主な発見

• PMN-0.32PT単結晶において、デポーリング温度T_RT ≈ 360 K付近でのゼロ場加熱中にのみ、テトラゴナル様相とルチルホーラル様相の間でマクロな平面的界面が形成される。
• 10–100 μmの厚さで、サンプルの端縁に対して約45°の角度で配向するストライプは、フェロエラスティックドメインではなく、モルフォトロピック界面によって分離された共存相を示している。
• 偏光Raman分光法により、暗いストライプはルチルホーラル様（おそらくモノクロイン的）相に対応し、明るいストライプはテトラゴナル様相に対応することが確認された。
• 両相におけるRaman強度の角度依存性は、異なる対称性および自発分極の方向を示しており、相の同定を支持する。
• 界面は楔型の形状を示しており、相境界における歪みの最小化が起こっていることを示し、タウィン境界と類似した挙動を示している。
• このマクロな相共存は、電場冷却後にゼロ場加熱が行われた場合にのみ安定化されるため、MPB材料における相界面を工学的に設計するための熱力学的経路が示唆される。