[논문 리뷰] Direct observation of the formation of polar nanoregions in Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3}$)O$_3$ using neutron pair distribution function analysis

Il‐Kyoung Jeong, T. W. Darling외 7명|arXiv (Cornell University)|2004. 12. 07.

X-ray Diffraction in Crystallography인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 1000 K에서 15 K의 온도 범위에서 Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃ (PMN)에서 극성 나노영역(PNRs)의 형성을 직접 관찰하기 위해 중성자 쌍 분포 함수 (PDF) 분석을 사용한다. 온도가 감소함에 따라 PNR의 체적 분율이 0%에서 약 30%로 증가하며, 200 K 이하에서의 퍼콜레이션 임계점에 도달함으로써 상호작용을 시작함으로써, 퍼콜레이팅된 PNR이 PMN에서의 리라크서 플레로전기 거동의 핵심임을 직접적인 구조적 증거로 제시한다.

ABSTRACT

Using neutron pair distribution function (PDF) analysis over the temperature range from 1000 K to 15 K, we demonstrate the existence of local polarization and the formation of medium-range, polar nanoregions (PNRs) with local rhombohedral order in a prototypical relaxor ferroelectric Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3}$)O$_3$. We estimate the volume fraction of the PNRs as a function of temperature and show that this fraction steadily increases from 0 % to a maximum of $\sim$ 30% as the temperature decreases from 650 K to 15 K. Below T$\sim$200 K the PNRs start to overlap as their volume fraction reaches the percolation threshold. We propose that percolating PNRs and their concomitant overlap play a significant role in the relaxor behavior of Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3}$)O$_3$.

연구 동기 및 목표

• 넓은 온도 범위에서 중성자 PDF 분석을 통해 Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃ (PMN)의 국소적 및 중간 범위의 구조적 상관관계를 직접 관찰하기 위해.
• Burns 온도 이하에서 삼각형 대칭을 가진 극성 나노영역(PNRs)의 존재와 진화를 규명하기 위해.
• 온도에 따른 PNR의 체적 분율을 정량화하고, 리라크서 거동에서의 역할을 평가하기 위해.
• PNR 간의 퍼콜레이션 시작 시점과 전기적 및 구조적 비정상성과의 상관관계를 조사하기 위해.

제안 방법

• 중성자 PDF 측정은 LANSCE 시설의 NPDF 기기에서 수행되었으며, 1000 K부터 15 K까지의 온도 범위를 커버하였다.
• 원시 회절 데이터에서 총 산란 구조 함수 S(Q)를 추출하였으며, 배경, 흡수 및 다중 산란 보정을 거쳐 백금 표준을 사용하여 정규화하였다.
• Q[S(Q) - 1]의 푸리에 변환을 통해 PDF G(r)를 확보함으로써, 짧은, 중간, 긴 범위의 구조적 상관관계에 접근할 수 있었다.
• 이중 상 모델 PDF는 Gₘ = α(T)G_R + (1 - α(T))G_C로 구성되었으며, 여기서 G_R과 G_C는 각각 삼각형상 및 입방상의 모델 PDF이다.
• 각 온도에서 실험 데이터에 모델 PDF를 피팅하기 위해 역 몬테카를로(RMC) 방법을 사용하여 온도에 따른 삼각형상(PNR) 상의 체적 분율 α(T)를 정제하였다.
• Bonneau 등(1991)의 열적 매개변수를 입방상 및 삼각형상 모델에 일관되게 적용하여 온도 의존적 PDF 모델링의 정확성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Burns 온도 이하에서 PMN에 국소적인 삼각형 대칭을 가진 극성 나노영역(PNRs)이 형성되는가? 그리고 온도에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ2 PMN에서 PNR의 체적 분율은 온도에 따라 어떻게 변화하며, 퍼콜레이션 임계점에 도달하는가?
• RQ3 PNR의 구조적 특성은 PMN에서 매크로스코픽 전기적 비정상성과 어떻게 관련되는가?
• RQ4 ~200 K 이하에서 PNR 간의 겹침과 퍼콜레이션의 증거가 있는가? 그리고 이는 관측된 상관 길이 증가와 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• PMN에서 극성 나노영역(PNRs)의 체적 분율은 650 K에서 0%에서 시작하여 15 K에서 최대 약 30%로 점진적으로 증가한다.
• ~200 K 이하에서 PNR은 3차원 퍼콜레이션 임계점(P_c ~ 28%)에 도달함으로써 상호작용을 시작하고, 나노영역 간의 연결성이 형성됨을 나타낸다.
• 온도가 감소함에 따라 국소 극성의 상관 길이는 약 15 Å에서 약 60 Å로 증가하며, 이는 약 200 K에서 PNR의 퍼콜레이션 시작과 관련이 있다.
• 실험적 PDF는 삼각형상 모델과 일치하는 명확한 중간 범위의 상관관계를 보이며, 국소적으로 삼각형 대칭을 가진 질서 있는 PNR의 존재를 확인한다.
• 이중 상 모델 PDF와 실험 데이터 간의 일치는 모든 온도에서 우수하며, PNR 체적 분율의 정량적 추정이 타당함을 검증한다.
• 이러한 발견들은 퍼콜레이팅된 PNR이 PMN의 리라크서 거동(전기적 분산 및 전기장 유도 상전이 포함)의 핵심임을 직접적인 국소 구조적 증거로 제공한다.