[論文レビュー] Reentrant phase in nanoferroics induced by the flexoelectric and Vegard effects

Anna N. Morozovska, M. D. Glinchuk|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2015

Nonlocal and gradient elasticity in micro/nano structures参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、球状のBaTiO3ナノ粒子（5–50 nm）における再入性反強磁性相転移を、ランドー＝ギンツバーグ＝デヴォンシーフレームワークを用いて解説している。歪み電気効果（flexoelectric coupling）とベガルド効果（化学的圧力）の協同作用が、予想されるサイズ依存の反強磁性転移とは逆に、粒子サイズが小さくなるほど強磁性相を安定化させることを示している。主な結果として、粒子サイズが小さくなると転移温度と分極が両方とも向上することを示しており、実験で観察された以前未解明だった再入性挙動を説明している。

ABSTRACT

We explore the impact of the flexoelectric effect and Vegard effect (chemical pressure) on the phase diagrams, long-range polar order and related physical properties of the spherical ferroelectric nanoparticles using Landau-Ginzburg-Devonshire phenomenological approach. The synergy of these effects can lead to the remarkable changes of the nanoparticles' phase diagrams. In particular, a commonly expected transition from ferroelectric to paraelectric phase at some small critical size is absent; so that the critical size loses its sense. Contrary, the stabilization of the ferroelectric phase manifests itself by the enhancement of the transition temperature and polarization with the particle size decrease. Ferroelectric phase reentrant phenomenon was observed earlier in the tetragonal BaTiO3 nanospheres of radii 5-50 nm [Zhu et al., JAP 112, 064110 (2012)] and stayed unexplained up to now. Our calculations have shown the physical mechanism of the exciting phenomenon is the flexo-chemo-effect. Since the spontaneous flexoelectric coupling, as well as ion vacancies, should exist in any nanostructured ferroelectrics, obtained analytical results can be valid for many nanoferroelectrics, where reentrant phases appearance can be forecasted.

研究の動機と目的

• 強誘電性相転移の再入性の起源を、従来のサイズスケーリング予測に反するBaTiO3ナノ粒子において理解すること。
• 歪み電気効果と化学的圧力（ベガルド効果）が、球状強誘電性ナノ粒子における相の安定性にどのように寄与するかを調査すること。
• 小型化において予想される強誘電体から反強誘電体への転移が観察されない理由を説明する、擬臨界的モデルの構築。
• 他のナノ強誘電体においても再入性挙動が観察される条件を予測すること。

提案手法

• 球状強誘電性ナノ粒子の自由エネルギーをモデル化するために、ランドー＝ギンツバーグ＝デヴォンシーアプローチ（LGD）を用いた。
• 自由エネルギー展開に、粒子サイズに依存する自発的歪み電気効果を項として組み込んだ。
• 組成勾配に起因する格子ひずみを、ベガルド効果を用いて化学的圧力としてモデル化した。
• 得られた自由エネルギー最小化問題を解き、安定相および転移温度を特定した。
• 解析的および数値的手法を用いて、粒子半径および組成の関数として分極、転移温度、相図を計算した。
• Zhuら（JAP 112, 064110, 2012）によるBaTiO3ナノスフィアの実験データと結果を照合した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の臨界サイズ予測とは反対に、なぜ強誘電相が従来の臨界サイズ未満のBaTiO3ナノ粒子に存続するのか？
• RQ2 歪み電気効果とベガルド効果が、ナノスケール系における強誘電相の安定化にどのように作用するのか？
• RQ3 自発的分極とひずみが、球状ナノ粒子における再入性相転移挙動を誘発する役割を果たすのか？
• RQ4 粒子サイズ依存の転移温度および分極の向上は、統一的擬臨界モデルで説明可能か？

主な発見

• 従来の予測とは異なり、粒子サイズが小さい場合に強誘電体から反強誘電体への転移が観察されないのは、歪み電気効果とベガルド効果の共同作用によるものである。
• 転移温度（Tc）は粒子半径が小さくなるにつれて上昇し、通常の抑制傾向とは逆の傾向を示す。
• 粒子サイズが小さくなると、歪み・化学的効果の安定化作用により、自発的分極が増大する。
• BaTiO3ナノスフィア（5–50 nm）で観察された再入性相転移挙動は、歪み電気効果と化学的圧力の協同作用によって説明できる。
• 本モデルは、類似した内部ひずみおよび分極勾配を有する他のナノ強誘電体に対しても、再入性挙動の一般化が可能であると予測している。