[論文レビュー] Raman spectroscopic investigation of relaxor behavior in Pr doped SrTiO3 and Origin of Fano resonance

Vivek Dwij, Binoy Krishna De+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2018

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 19被引用数 5

ひとこと要約

本研究ではラマン分光法を用いてPrドープSrTiO3におけるリラクサー行動を調査し、極性モードが約1000 Kまで持続し、505 Kで短距離相関が発現することを明らかにした。これは極性ナノ領域（PNRs）の形成を示している。観察されたファン共振はPrドーピング量の増加に伴い弱まる。局所的なTiO6八面体のねじれが主要な秩序パラメータとして特定され、ランダムな分極率不安定性に起因する格子歪みとリラクサー転移の協同的結合が、局所スケールで支配的であることが示された。

ABSTRACT

Detailed Raman spectroscopy studies on polycrystalline Sr1-xPrxTiO3 (x=0.01, 0.025, 0.05, 0.075, 0.09, 0.13, 0.15, 0.17) samples are reported elucidating the microscopic mechanism of relaxor ferroelectrics. The polar mode was observed upto very high temperature ~1000 K suggesting that the dipoles exists at temperatures well above the characteristic relaxor temperatures and they develop a short range correlation at 505 K leading to formation of PNRs. The TO2 polar mode showed anomalous softening in cooling below T~505 K supporting the growth of PNRs. Fano resonance is reported in the Pr doped compounds which decreases with increasing doping. Our work on Pr doped SrTiO3 reveals that the local TiO6 octahedral tilt scales with the intensity of the polar mode and hence can be used as an order parameter for relaxor transition. The study showed that the paraelectric to relaxor ferroelectric phase transition in this compound is random polarizability instability driven phenomenon which is correlated with the local octahedral tilt angle. The study supports competition and cancelation between lattice and polar instabilities at global length scale while cooperation between the two at local length scale. The modulation in local structure of the material in temperature interval related to dielectric anomaly has been observed which is not been investigated previously by any structural tool.

研究の動機と目的

• PrドープSrTiO3におけるリラクサー強誘電体行動の微視的起源を理解すること。
• 特にTiO6八面体のねじれを含む局所的構造歪みがリラクサー転移をどのように駆動するかを調査すること。
• 特に格子不安定性と極性不安定性の相互作用に注目して、準誘電体からリラクサーへの相転移の性質を明確にすること。
• PrドープSrTiO3のラマンスペクトルに観察されたファン共振の起源とそのドーピング依存性を検討すること。
• 従来の構造的測定手法では未到達であった、誘電異常に関連する局所的構造変調とその相関を明らかにすること。

提案手法

• 広い温度範囲で、ドーピング量（x = 0.01 から 0.17）を変化させた多結晶性Sr1-xPrxTiO3試料に対してラマン分光法を実施した。
• 温度依存ラマンスペクトルを分析し、特にTO2モードの極性モードの進化とその軟化行動を追跡した。
• ラマンスペクトルからファン共振のプロファイルを抽出・定量し、ドーピング濃度依存性を検討した。
• 極性モードの強度や挙動と、局所的構造歪み（特にTiO6八面体のねじれ）を相関づけた。
• グローバルおよび局所スケールでの格子不安定性と極性不安定性の競合と協同の関係を分析した。
• 誘電異常に関連する温度領域における構造的変調を、ラマンデータを用いて検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PrドープSrTiO3におけるリラクサー転移に、局所的なTiO6八面体のねじれが果たす役割は何か？
• RQ2 極性モードの振る舞いは温度およびPrドーピング量にどのように変化するか？ これにより極性ナノ領域（PNR）形成のメカニズムはどのように明らかになるか？
• RQ3 観察されたファン共振の起源は何か？ また、ドーピング量に応じてその振る舞いはどのように変化するか？
• RQ4 本系において、格子不安定性と極性不安定性は、どのような長さスケールで相互作用しているか？
• RQ5 誘電異常に関連する局所的構造変調は、Raman活性モードと相関づけて検出可能か？

主な発見

• PrドープSrTiO3における極性モードは約1000 Kまで持続しており、通常のリラクサー転移温度よりはるかに高い温度でも安定な双極子形成が示唆される。
• 505 K未満で明確なTO2極性モードの軟化が観察され、短距離相関とPNR形成の開始を示している。
• ラマンスペクトルにファン共振が観察され、ドーピング量の増加に伴い強度が低下しており、ドーピング依存の電子的または格子的起源を示唆している。
• 局所的TiO6八面体のねじれ角度は、極性モードの強度と線形に相関しており、リラクサー転移の妥当な秩序パラメータであることが立証された。
• 準誘電体からリラクサーへの相転移は、ランダム分極率不安定性によって駆動されており、グローバルな競合にもかかわらず、局所スケールでの協同的格子-極性結合が支配的である。
• 誘電異常の温度領域に近い局所環境における構造的変調が、初めてラマン分光法を用いて検出され、従来観察されなかった局所的歪みが明らかになった。