[논문 리뷰] BaTiO3 thin films as transitional ferrroelectrics with giant dielectric response

Arnoud S. Everhardt, Thibaud Denneulin외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 23.

Ferroelectric and Piezoelectric MaterialsMaterials Science참고 문헌 49인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 공존하는 테트라고날, 올리고나이틱, 저대칭 상들로 인해 연속적인 수직 극화 회전이 가능해지면서 거대하고 온도에 의존하지 않는 유전율 반응을 나타내는 새로운 유형의 전이 페로일렉트릭으로 BaTiO3 박막을 제안한다. 이 메커니즘은 복잡한 고체 용액이 없이도 모트로피크 상경계(MPB) 행동을 모방하며, 빈티지 없는 고성능 페로일렉트릭을 위한 화학적으로 단순한 길을 제공한다.

ABSTRACT

Proximity to phase transitions (PTs) is frequently responsible for the largest dielectric susceptibilities in ferroelectrics. The impracticality of using temperature as a control parameter to reach those large responses has motivated the design of solid solutions with phase boundaries between different polar phases at temperatures (typically room temperature) significantly lower than the paraelectric-ferroelectric critical temperature. The flat energy landscapes close to these PTs give rise to polarization rotation under external stimuli, being responsible for the best piezoelectrics so far and a their huge market. But this approach requires complex chemistry to achieve temperature-independent PT boundaries and often involves lead-containing compounds. Here we report that such a bridging state is possible in thin films of chemically simple materials such as BaTiO3. A coexistence of tetragonal, orthorhombic and their bridging low-symmetry phases are shown to be responsible for the continuous vertical polarization rotation, recreating a smear in-transition state and leading to giant temperature-independent dielectric response. These features are distinct from those of single crystals, multi-domain crystals, ceramics or relaxor ferroelectrics, requiring a different description. We believe that other materials can be engineered in a similar way to form a class of ferroelectrics, in which MPB solid solutions are also included, that we propose to coin as transitional ferroelectrics.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 납 기반 고체 용액을 피하는 화학적으로 단순한 대안을 찾아내어 페로일렉트릭에서 거대한 유전율 반응을 달성하는 것.
• 기존 페로일렉트릭의 온도 의존성 상전이의 한계를 극복하기 위해 박막에서 상 공존을 설계하는 것.
• BaTiO3 박막이 복잡한 화학이 없이도 모트로피크 상경계(MPB) 재료의 거동을 모방할 수 있음을 보여주는 것.
• 공존하는 상들 사이에서 연속적인 극화 회전을 특징으로 하는 새로운 유형의 페로일렉트릭—전이 페로일렉트릭—을 제안하는 것.
• 실온에서 안정적이고 거대한 유전율 반응을 보이는 고성능 납-free 페로일렉트릭을 설계하기 위한 새로운 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 응력이 가해지고 여러 페로일렉트릭 상을 안정화시키기 위해 결정성 BaTiO3 박막을 격자 매칭된 기질에 에피택셜로 성장시켰다.
• 고해상도 투과형 전자현미경(HRTEM)과 회절을 사용하여 테트라고날, 올리고나이틱, 저대칭 상들의 공존을 확인하였다.
• 유전율 반응은 임피던스 스펙트로스코피와 극화-전기장(P-E) 히스테리시스 루프 측정을 통해 거대한 유전율 허용도를 정량화하였다.
• 군 이론과 랑도-데본시어 이론을 사용한 이론적 모델링을 통해 상경계 근처의 에너지 장과 극화 회전을 분석하였다.
• 응력과 격자 대칭성이 중간 상들을 안정화시키는 데 미치는 영향을 구조적 및 유전율 특성 분석을 통해 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 고체 용액이나 납 기반 화합물을 사용하지 않고도 BaTiO3 박막이 거대하고 온도에 의존하지 않는 유전율 반응을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 BaTiO3 박막에서 연속적인 극화 회전을 가능하게 하는 구조적 및 전자적 특성은 무엇인가?
• RQ3 테트라고날, 올리고나이틱, 저대칭 상들의 공존이 유전율 반응 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 이 박막의 거동는 단일 결정, 세라믹, 또는 릭스터와는 다를 새로운 유형의 페로일렉트릭—전이 페로일렉트릭—으로 기술될 수 있는가?
• RQ5 응력과 상 공존이 거대한 유전율 감도를 갖는 스메어-유사 전이 상태를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• BaTiO3 박막은 실온에서 10,000을 초월하는 거대한 유전율 허용도를 나타내며, 온도 변화에 거의 영향을 받지 않는다.
• HRTEM와 전자 회절을 통해 테트라고날, 올리고나이틱, 저대칭 상들의 공존이 직접 관측되었으며, 연속적인 극화 회전 경로의 존재를 확인하였다.
• 유전율 반응은 넓은 온도 범위에서 강하고 안정적으로 유지되어 MPB 유사한 준연속 전이 상태를 나타낸다.
• 관측된 거동는 전통적인 단일 상 페로일렉트릭, 릭스터, 다결정 세라믹의 모델로 설명될 수 없으며, 새로운 이론적 프레임워크가 필요하다.
• 복잡한 고체 용액이나 납을 사용하지 않아도 높은 유전율 반응을 달성함으로써 납-free, 고성능 페로일렉트릭을 위한 실현 가능한 길을 제시한다.