[論文レビュー] Translational boundaries as incipient ferrielectric domains in antiferroelectric PbZrO3

Ying Liu, Ranming Niu+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Multiferroics and related materials被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、反強誘電体 PbZrO3 の格子不均一性境界が、0Kにおける基底状態として予測された「上-下-上」型双極子配列を有する初期強誘電体領域を形成することを明らかにした。歪み補正STEMを用いて、著者らは室温でも反強誘電相と共存するこれらの極性領域を観察し、ヒステリシスループにおける非ゼロの残留分極を説明した。

ABSTRACT

In the archetypal antiferroelectric PbZrO3, antiparallel electric dipoles cancel each other, resulting in zero spontaneous polarisation at the macroscopic level. Yet in actual hysteresis loops, the cancellation is rarely perfect and some remnant polarization is often observed, suggesting the metastability of polar phases in this material. In this work, using aberration-corrected scanning transmission electron microscopy methods on a PbZrO3 single crystal, we uncover the coexistence of the common antiferroelectric phase and a ferrielectric phase featuring an electric dipole pattern of "up down up". This dipole arrangement, predicted by Aramberri et al. (2021) to be the ground state of PbZrO3 at 0K, appears at room temperature in the form of translational boundaries that aggregate to form wider stripe domains of the polar phase embedded within the antiferroelectric matrix.

研究の動機と目的

• 反強誘電体 PbZrO3 において、双極子が巨視的にキャンセルされるにもかかわらず、非ゼロの残留分極が生じる原因を理解すること。
• ヒステリシスループの異常を説明する可能性がある、PbZrO3 内の力学的不安定な極性相の微視的起源を調査すること。
• 原子スケールで反強誘電相と強誘電相の共存を特定し、その特徴を同定すること。
• 0Kにおける基底状態として予測された「上-下-上」型双極子配置が、室温でも安定化可能かどうかを特定すること。
• 格子不均一性境界が反強誘電体行列内での極性領域の核化に果たす役割を調査すること。

提案手法

• PbZrO3単結晶の原子的構造と分極を、歪み補正走査型透過電子顕微鏡（AC-STEM）を用いて画像化した。
• ケイソン列と局所的電子構造を解像するために、高角度アンニュラダークフィールド（HAADF）像と電子エネルギー損失分光法（EELS）を用いた。
• 観察された双極子パターンを分析し、反強誘電的秩序と強誘電的秩序を区別した。
• 格子不均一性境界の空間的分布をマッピングし、それらが広いストライプ状の領域へと集積することを確認した。
• Aramberriら（2021年）による PbZrO3 の0Kにおける基底状態に関する理論的予測と実験的観察を照合した。
• 反強誘電体行列内に埋め込まれた極性領域の安定性と形状を特徴づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 0Kにおける基底状態として予測された「上-下-上」型双極子配置が、室温でも観察可能か。
• RQ2 格子不均一性境界が反強誘電体行列内での極性相の安定化に果たす役割は何か。
• RQ3 観察された極性領域は、ヒステリシスループで観測された非ゼロの残留分極とどのように関係しているか。
• RQ4 観察された領域が欠陥や応力効果ではなく、初期強誘電的秩序を表している程度はどの程度か。
• RQ5 PbZrO3 における反強誘電相と強誘電相の遷移の構造的・電子的特徴は何か。

主な発見

• PbZrO3 における格子不均一性境界は、理論的に予測された0Kにおける基底状態と整合する「上-下-上」型双極子配列を有する。
• これらの境界は、反強誘電体行列内に埋め込まれた強誘電的性質を示す広いストライプ状の領域へと集積する。
• 観察された極性領域は、実験的に観測されたヒステリシスループにおける非ゼロの残留分極を説明する。
• 歪み補正STEM像により、原子スケールで反強誘電相と強誘電相の共存が直接可視化された。
• 強誘電的領域は、外部場や欠陥ではなく、格子不均一性境界における構造的歪みによって安定化されている。
• 結果から、強誘電相は高温相ではなく、室温でも存在する力学的不安定な初期状態であることが確認された。