[논문 리뷰] Diffuse scattering from the lead-based relaxor ferroelectric PbMg_1/3Ta_2/3O_3

Antonio Cervellino, S. N. Gvasaliya외 7명|ArXiv.org|2009. 08. 20.

X-ray Diffraction in Crystallography참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 단일결정성 중성자 및 싱크로트론 X선 회절을 이용하여 PbMg₁/₃Ta₂/₃O₃에서 극성 나노영역(PNRs)이 <111> 방향으로 정적 Pb²⁺ 이동에 기인하며, 상관 길이가 <111> 및 <11¯0> 방향에서 가장 길고 <11¯2> 방향에서 가장 짧음을 보여준다. 이 모델은 (H00) 평면에서 특징적인 바다개미형 확산 산란을 재현하고 <112> 방향으로 줄무늬를 형성하며, 이는 이질적인 크기와 방향성을 가진 패티형 PNR 기하학을 확인한다.

ABSTRACT

The relaxor ferroelectric PbMg_1/3Ta_2/3O_3 was studied by single-crystal neutron and synchrotron x-ray diffraction and its detailed atomic structure has been modeled in terms of static Pb-displacements that lead to the formation of polar nanoregions. Similar to the other members of the Pb-based relaxor family like PbMg_1/3Nb_2/3O_3 or PbZn_1/3Nb_2/3O_3 the diffuse scattering in the [H,0,0]/[0,K,0] scattering plane has a butterfly-shape around the (h,0,0) Bragg reflections and is transverse to the scattering vector for (h,h,0) peaks. In the [H,H,0]/[0,0,L] plane the diffuse scattering is elongated along the &lt;1,1,2&gt; directions and is transverse to the scattering vector for (h,h,h) reflections. We find that a model consisting of correlated Pb-displacements along the &lt;1,1,1&gt;-directions reproduces the main features of the diffuse scattering in PbMg_1/3Ta_2/3O_3 adequately when the correlation lengths between the Pb-ion displacement vectors are longest along the &lt;1,1,1&gt; and &lt;1,-1,0&gt; and shortest along &lt;1,1,-2&gt; directions.

연구 동기 및 목표

• 이완성 반도체 PbMg₁/₃Ta₂/₃O₃에서의 확산 산란의 원자적 기원을 규명하는 것.
• 극성 나노영역(PNRs)을 일으키는 Pb²⁺ 이동의 방향성과 상관 길이를 규명하는 것.
• 단지 Pb 이동에 기반한 모델이 관측된 확산 산란 패tern을 재현할 수 있는지 테스트하는 것.
• PNRs의 기하학적 이방성과 그들이 관측된 확산 산란 강도 분포와 어떻게 관련되어 있는지 명확히 하는 것.

제안 방법

• 확산 산란 강도를 역공간에서 측정하기 위해 단일결정성 중성자 회절과 싱크로트론 X선 회절을 사용하였다.
• 저온에서 Pb 위치에서 双우물 잠재력의 발달을 탐지하기 위해 패터슨 분석을 적용하였다.
• <111> 및 <11¯0> 방향으로 상관된 Pb²⁺ 이동에 기반한 구조 모델을 구축하고 실험 데이터와 비교하였다.
• 벡터 w₁ = 1/√2[1,-1,0], w₂ = 1/√3[1,1,1], w₃ = 1/√6[1,1,-2]를 沿해 원자 이동을 모델링하고 각 방향에 대해 상관 길이를 할당하였다.
• 계산된 확산 산란 맵을 (H00), (HH0), (HHH) 산란 평면에서 실험 데이터와 비교함으로써 모델을 정련하였다.
• 확산 산란 강도의 온도 의존성을 분석하여 Pb 이동의 진전과 PNR 형성 과정을 추론하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PbMg₁/₃Ta₂/₃O₃에서 확산 산란을 일으키는 Pb²⁺ 이동의 방향은 무엇인가?
• RQ2 이 물질에서 다양한 결정학적 방향에 따라 Pb 이동의 상관 길이는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 (H00) 평면에서 확산 산란이 바다개미형을 띠는 이유와 (HH0) 평면에서 <112> 방향으로 줄무늬가 나타나는 이유는 무엇인가?
• RQ4 단지 Pb²⁺ 이동에 기반한 모델이 관측된 확산 산란 패턴을 설명할 수 있는가?
• RQ5 PbMg₁/₃Ta₂/₃O₃에서 극성 나노영역(PNRs)의 기하학적 형태와 크기는 무엇인가?

주요 결과

• (H00) 평면에서의 확산 산란은 바다개미형을 띠며, (HH0) 평면에서는 산란 벡터에 수직인 줄무늬를 형성하여, 이질적인 상관 길이를 가진 PNRs와 일치한다.
• Pb²⁺ 이온은 주로 <111> 방향으로 이동하며, 저온에서 이동 폭은 약 0.3 Å이다.
• Pb 이동의 상관 길이는 <111> 및 <11¯0> 방향에서 가장 길다(L₁ ≈ 50 Å, L₂ ≈ 30 Å), <11¯2> 방향에서 가장 짧다(L₃ ≈ 4 Å)로, 패티형 PNRs를 나타낸다.
• <111> 방향으로 Pb 이동을 가진 모델이 실험적 확산 산란 패턴과 가장 잘 일치하며, 다른 이동 방향은 Bragg 피크 주변의 강도 날개를 재현하지 못한다.
• 일부 확산 줄무늬의 소멸 현상은 모델에서 유도된 구조 인자 형태와 일치하여, Pb 위치에서 이중우물 잠재력 존재를 지지한다.
• 분석 결과 Pb 이동이 확산 산란의 주요 원인임을 확인하였으며, B위치 및 O위치의 이동은 이 연구에서 완전히 해결되지 않은 보조적 역할을 할 수 있다.