[論文レビュー] Origin of Large Dielectric Constant with Large Remnant Polarization and Evidence of Magnetoelectric Coupling in Multiferroic La modified BiFeO3-PbTiO3 Solid Solution

Anupinder Singh, Ratnamala Chatterjee+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2010

Multiferroics and related materials参考文献 32被引用数 42

ひとこと要約

本研究では、ランタンドープBiFeO3-PbTiO3固溶体を調査し、界面における空間電荷分極が、誘電率の大きな値と残留分極を生じることを明らかにした。インピーダンススペクトロスコピーとMaxwell-Wagnerモデルによる検証が行われた。磁電効果は約170 Kで顕在し、中性子回折と磁誘電測定により裏付けられ、構造的不連続性と多铁酸化物機能性の関連が示された。

ABSTRACT

The presence of superlattice reflections and detailed analyses of the powder neutron and x-ray diffraction data reveal that La rich (BF$_{0.50}$-LF$_{0.50}$)$_{0.50}$-(PT)$_{0.50}$ (BF-LF-PT) has ferroelectric rhombohedral crystal structure with space group extit{$R3c$} at ambient conditions. The temperature dependence of lattice parameters, tilt angle, calculated polarization $(P_{s})$, volume, and integrated intensity of superlattice and magnetic reflections show an anomaly around 170 K. Impedance spectroscopy, dielectric and ac conductivity measurements were performed in temperature range $473K \leq T \leq 573K$ to probe the origin of large remnant polarization and frequency dependent broad transitions with large dielectric constant near $T_c^{FE}$. Results of impedance spectroscopy measurements clearly show contributions of both grain and grain boundaries throughout the frequency range ($10^{3}$ Hz$\leq f\leq 10^{7} $ Hz). It could be concluded that the grain boundaries are more resistive and capacitive as compared to the grains, resulting in inhomogeneities in the sample causing broad frequency dependent dielectric anomalies. Enhancement in dielectric constant and remnant polarization values are possibly due to space charge polarization caused by piling of charges at the interface of grains and grain boundaries. The imaginary parts of dielectric constant ($ε^{\prime\prime}$) Vs frequency data were fitted using Maxwell-Wagner model at $T_c^{FE}(\sim 523$K) and model fits very well with the data up to $10^{5}$ Hz. Magnetodielectric measurements prove that the sample starts exhibiting magnetoelectric coupling at $\sim 170$ K, which is also validated by neutron diffraction data.

研究の動機と目的

• ランタンドープBiFeO3-PbTiO3固溶体における誘電率の大きな値と高い残留分極の起源を理解すること。
• 界面と空間電荷分極が誘電異常をどのように寄与するかを調査すること。
• 磁電効果の発現温度を特定し、構造的転移と関連付けること。
• 格子定数、分極、磁気的秩序の温度依存的変化を分析すること。
• 中性子回折とX線回折を用いて、スーパーラティス反射および磁気的反射の存在を検証すること。

提案手法

• 結晶構造およびスーパーラティス反射を特定するために、粉末中性子回折およびX線回折を実施した。
• 10³–10⁷ Hzおよび473–573 Kの周囲でインピーダンススペクトロスコピーを実施し、粒子内と界面の寄与を分離した。
• 誘電率および交流導電度測定を実施し、TcFE ~523 K近辺の周波数依存性の転移を分析した。
• TcFE（約523 K）におけるε′′と周波数の関係にMaxwell-Wagnerモデルを適用し、空間電荷分極の妥当性を確認した。
• 磁誘電測定を用いて磁電効果の検出を実施し、中性子回折データと照合した。
• 温度依存的な格子定数、ねじれ角、およびスーパーラティス反射および磁気的反射の積分強度を分析し、異常を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランタン修飾BiFeO3-PbTiO3固溶体における誘電率の大きな値と高い残留分極の原因は何か？
• RQ2 界面は周波数依存性の誘電異常および分極の増大にどのように寄与するか？
• RQ3 磁電効果はどの温度で顕在し、構造的および磁気的転移とどのように関連するか？
• RQ4 TcFE近辺の観察された誘電挙動において、空間電荷分極が果たす役割は何か？
• RQ5 スーパーラティス反射および磁気的反射は、多铁酸化物的挙動の発現とどのように相関するか？

主な発見

• 環境温度下で、空間群R3cの強誘電体の斜方晶構造を示すことが、中性子回折およびX線回折により確認された。
• 約170 Kで格子定数、ねじれ角、分極および反射強度に異常が観察され、相転移を示唆している。
• インピーダンススペクトロスコピーにより、界面が粒子よりも抵抗性および静電容量性が高く、不均一性に寄与していることが判明した。
• 誘電率の大きな値と高い残留分極は、界面における空間電荷分極に起因する。
• Maxwell-Wagnerモデルは、TcFE（約523 K）におけるε′′と周波数の関係を10⁵ Hzまで良好にフィットさせ、空間電荷分極モデルの妥当性を裏付けた。
• 磁誘電測定および中性子回折の両方により、磁電効果の発現が約170 Kで確認された。