[논문 리뷰] Dynamic behavior of polar nanoregions in re-entrant relaxor 0.6Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.4PbTiO3

Kaiyuan Chen, Zhang, Qi외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 11.

Ferroelectric and Piezoelectric Materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 유전율 분광법과 전기적 모듈러스 분석을 이용하여 재진입형 릭스졸브러 0.6Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.4PbTiO3에서 극성 나노영역(PNRs)의 동적 거동을 조사한다. 저온에서의 재진입형 릭스졸브러 전이와 고온에서의 분산 상전이와 관련된 두 가지 별개의 PNR 상태를 규명하였으며, PNR 형성, 고결 및 상전이와 관련된 세 가지 임계 온도를 밝혀내었으며, 비스무트 스토이키오메트리가 PNR의 동적 거동 조절에 핵심적인 역할을 한다는 것을 확인하였다.

ABSTRACT

The existence of polar nanoregions is the most important characteristic of ferroelectric relaxors, however, the size determination and dynamic of PNRs remains uncertain. We reveal a re-entrant relaxor behavior and ferroelectric-paraelectric transition coexists in complex perovskite oxide 0.6Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.4PbTiO3. Two dielectric anomalies (i) the low-temperature re-entrant relaxor transition and (ii) the high-temperature diffuse phase transition (DPT) were described by the phenomenological statistical model. The sizes of the two kinds of polar nanoregions (PNRs) corresponding to two ferroelectric states were obtained. The dynamic of PNRs were analyzed using isothermal electrical modulus, which shows three critical temperatures associated with the diffuse phase transition, the formation and freezing of PNRs, respectively. The temperature evolution of the PNRs evolution depends on the stoichiometry of bismuth. The results provide new insights into the dynamic behavior of PNRs and the modification way of re-entrant relaxor behavior.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 퍼보스카이트 릭스졸브러, 특히 0.6Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.4PbTiO3에서 극성 나노영역(PNRs)의 동적 거동을 이해하는 것.
• 재진입형 릭스졸브러 시스템에서 PNR 크기 결정과 동적 진화에 대한 불확실성을 해소하는 것.
• 복잡한 산화물에서 재진입형 릭스졸브러 거동과 피에로전기-비피에로전기 전이의 공존을 조사하는 것.
• 비스무트 스토이키오메트리가 PNR 형성 및 고결 동적 거동에 미치는 영향을 규명하는 것.

제안 방법

• 유전율 분광법을 사용하여 저온에서의 재진입형 릭스졸브러 전이와 고온에서의 분산 상전이(DPT)와 관련된 두 가지 별개의 유전율 비정상 현상을 관측하였다.
• 두 유전율 비정상 현상을 기술하고 각 피에로전기 상태에 해당하는 PNR 크기를 추출하기 위해 현상학적 통계 모델을 적용하였다.
• 이소othermal 전기적 모듈러스 분광법을 활용하여 PNR의 동적 과정을 분석하고 특성 상쇄 시간 및 임계 온도를 규명하였다.
• PNR의 온도 의존적 진화를 비스무트 함량과 연관지어 PNR 형성 및 고결에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재진입형 릭스졸브러 0.6Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.4PbTiO3에서 극성 나노영역(PNRs)의 동적 특성은 무엇인가요?
• RQ2 저온에서의 재진입형 릭스졸브러 상태와 고온에서의 분산 상전이 상태 사이에서 PNR의 크기와 진화는 어떻게 다릅니까?
• RQ3 이 시스템에서 PNR 형성, 고결 및 상전이와 관련된 임계 온도는 무엇인가요?
• RQ4 비스무트 스토이키오메트리가 이 복잡한 퍼보스카이트 산화물에서 PNR의 동적 거동에 어떻게 영향을 미치나요?

주요 결과

• 저온에서의 재진입형 릭스졸브러 전이와 고온에서의 분산 상전이(DPT)에 해당하는 두 가지 별개의 PNR 상태가 확인되었다.
• 유전율 데이터에 현상학적 통계 모델을 적용하여 두 PNR의 크기를 정량적으로 규명하였다.
• 이소othermal 전기적 모듈러스 분석을 통해 세 가지 임계 온도를 규명하였으며, 각각 분산 상전이, PNR 형성, PNR 고결과 관련이 있었다.
• PNR의 온도 의존적 진화는 재료 내 비스무트 스토이키오메트리에 의해 강하게 영향을 받는다.
• 0.6Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.4PbTiO3에서 재진입형 릭스졸브러 거동과 피에로전기-비피에로전기 전이의 공존이 확인되었다.
• 결과적으로 조성 제어, 특히 비스무트 함량 조절을 통한 PNR 동적 거동 조절에 대한 새로운 통찰를 제공하였다.