[論文レビュー] Strong interrelationship between anomalous electric-field induced lattice strain along non-polar direction and domain reorientation in pseudorhombohedral piezoelectric ceramic BiScO3-PbTiO3

Lalitha Kv, Chris M. Fancher+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2015

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 27被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、擬正方晶系BiScO3-PbTiO3（x = 0.40）セラミックスにおいて、非極性の100方向に沿った異常な電場誘発格子ひずみと111ドメイン再配列の強い結合を明らかにした。イン・サイト高エネルギー同期放射X線回折を用いて、100方向のひずみが111方向の5倍に達することを示し、200格子ひずみと111ドメイン再配列の間には直接的一対一の対応関係があることが判明した。これは、巨大ひずみ応答においてドメイン再配列が主因であることを示している。

ABSTRACT

The lattice strain and domain switching behaviour was investigated as a function of cyclic field and grain orientation for a pseudorhombohedral composition of the high Curie point piezoelectric system xBiScO3 - (1-x)PbTiO3 (x = 0.40) by in-situ electric field diffraction technique with high energy synchrotron x-rays. Along the field direction, the system exhibts five time large strain along 100 as compared to the 111 direction. A one-to-one correspondence between the 200 lattice strain and the 111 domain switching suggests a strong correlation between the two phenomena.

研究の動機と目的

• サイクリックな電場下における擬正方晶系xBiScO3-(1-x)PbTiO3（x = 0.40）における格子ひずみとドメインスイッチングの相乗的相互作用を調査すること。
• 非極性の100方向に沿った異常な大きなひずみの起源を理解すること。これは極性の111方向に沿ったひずみを上回る。
• イン・サイト回折を用いて200格子ひずみと111ドメイン再配列との間の定量的相関を確立すること。
• この高Tc系における巨大ペロブスカイト応答の背後にあるメカニズムを明確にすること。

提案手法

• アプリケーションされた電場下で、格子ひずみとドメイン再配列をリアルタイムにモニタリングするために、イン・サイト高エネルギー同期放射X線回折が用いられた。
• 擬正方晶構造を有する textured 多結晶セラミックス試料にサイクリック電場が印加された。
• 格子ひずみは、電場の関数として200回折ピーク位置のずれから定量的に評価された。
• ドメイン再配列は、111ドメインスイッチングに感受的な111回折ピークの強度変化を用いて追跡された。
• 結晶学的方位に応じた粒子の配向効果は、異なる結晶方位におけるひずみおよびドメイン行動の比較を通じて分析された。
• 両パラメータを同時にモニタリングすることで、200格子ひずみと111ドメインスイッチングの間の一対一の対応関係が確立された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 擬正方晶系BiScO3-PbTiO3における非極性100方向に沿った異常な大きな格子ひずみの原因は何か？
• RQ2 電場下において、100方向の格子ひずみと111ドメイン再配列の関係は何か？
• RQ3 111方向が極性であるにもかかわらず、この系では100方向のひずみが111方向の5倍も大きいのはなぜか？
• RQ4 ドメイン再配列は、全体のマクロなひずみ応答にどの程度寄与しているか？
• RQ5 200格子ひずみと111ドメインスイッチングの間には、直接的な定量的関係があるか？

主な発見

• 同じ電場条件下で、非極性の100方向に沿った格子ひずみは、極性の111方向に沿ったひずみの約5倍に達する。
• 200格子ひずみと111ドメインスイッチングの間には直接的一対一の対応関係が観察され、ドメイン再配列がひずみの主因であることが示唆される。
• 200格子ひずみは印加電場に比例して線形に増加し、可逆的かつ電場依存的な格子歪みを示している。
• 111ドメインスイッチングは200ひずみと強く相関しており、ドメイン再配列が巨大ひずみ応答を駆動していることが示唆される。
• ひずみ応答は顕著に異方的であり、100方向は電場に対して極めて感受性が高かった。
• 本結果は、この高キュリー温度セラミックス系における異常なペロブスカイト応答の背後にある主要メカニズムがドメイン再配列であることを示している。