[논문 리뷰] Monoclinic phase in the relaxor-based piezo-/ ferroelectric Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3})O_3$-PbTiO$_3$ system

Z. G. Ye, Beatriz Noheda외 3명|arXiv (Cornell University)|2001. 07. 12.

Ferroelectric and Piezoelectric Materials인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 싱크로트론 X선 회절을 통해 0.65Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–0.35PbTiO₃에서 페로일렉트릭 단세립 상(공간군 Cm, M_A 유형)을 규명하였다. 이 상은 다이폴 모멘트가 정렬된 단일 결정에서 모트로피크 상 경계 근처에서 실온에서 나타나며, 격자 매개변수 a = 5.692 Å, b = 5.679 Å, c = 4.050 Å, β = 90.15°를 가지며, bₘ축이 허구의 입방 [110] 방향에 정렬되어 있음. 이는 Pb(Zn₁/₃Nb₂/₃)O₃–PbTiO₃에서 보고된 Pm형 단세립 상과 다름을 보여준다.

ABSTRACT

A ferroelectric monoclinic phase of space group $Cm$ ($M_A$ type) has been discovered in 0.65Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3})O_3$-0.35PbTiO$_3$ by means of high resolution synchrotron X-ray diffraction. It appears at room temperature in a single crystal previously poled under an electric field of 43 kV/cm applied along the pseudocubic [001] direction, in the region of the phase diagram around the morphotropic phase boundary between the rhombohedral (R3m) and the tetragonal (P4mm) phases. The monoclinic phase has lattice parameters a = 5.692 A, b = 5.679 A, c = 4.050 A and $β$ = $90.15^{\circ}$, with the b$_m$-axis oriented along the pseudo-cubic [110] direction . It is similar to the monoclinic phase observed in PbZr$_{1-x}$Ti$_x$O$_3$, but different from that recently found in Pb(Zn$_{1/3}$Nb$_{2/3})O_3$-PbTiO$_3$, which is of space group $Pm$ ($M_C$ type).

연구 동기 및 목표

• 모트로피크 상 경계 근처의 리랙서 기반 PMN-PT 고체용액에서 단세립 상 존재 여부를 조사하기 위해.
• 다이폴 모멘트가 정렬된 0.65PMN-0.35PT 단일 결정에서 형성된 단세립 상의 결정 구조 및 대칭성을 규명하기 위해.
• PMN-PT에서 향상된 피에조전기 반응의 구조적 기원을 밝혀내기 위해 단세립 상을 규명하기 위해.
• PZT 및 PZN-PT와 같은 유사 고체용액에서 이전에 보고된 상들과의 차이를 명확히 하기 위해 PMN-PT의 단세립 상을 구분하기 위해.

제안 방법

• 0.65Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–0.35PbTiO₃의 단일 결정의 결정 구조를 분석하기 위해 고해상도 싱크로트론 X선 회절을 사용하였다.
• 페로일렉트릭 질서를 유도하기 위해 허구의 입방 [001] 방향으로 43 kV/cm의 강한 전기장이 작용하도록 다이폴 모멘트를 정렬시켰다.
• 격자 매개변수와 단세립 상의 공간군 대칭성을 결정하기 위해 구조적 보정을 수행하였다.
• 브라거 피크의 분할과 특히 β ≈ 90.15°와 같은 비직각 각도의 존재를 바탕으로 단세립 상을 식별하였다.
• bₘ축의 정렬 방향이 허구의 입방 [110] 방향에 있음을 규명하였다.
• PZT 및 PZN-PT와 같은 알려진 상들과의 비교를 통해 Cm형 단세립 구조를 구분하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이폴 모멘트 정렬 조건 하에서 0.65PMN-0.35PT에서 모트로피크 상 경계 근처에 단세립 상이 존재하는가?
• RQ2 이 시스템에서 형성된 단세립 상의 결정 대칭성과 격자 매개변수는 무엇인가?
• RQ3 단세립 비대칭성의 방향(특히 bₘ축)은 허구의 입방 결정학적 방향과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 PMN-PT의 단세립 상은 PZT의 상과 유사한가, 아니면 PZN-PT의 Pm형 상과는 다름이 있는가?
• RQ5 다이폴 모멘트 정렬이 이 리랙서 기반 페로일렉트릭에서 단세립 상을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 실온에서 0.65Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃–0.35PbTiO₃에 공간군 Cm(M_A 유형)의 페로일렉트릭 단세립 상이 규명되었다.
• 이 단세립 상은 a = 5.692 Å, b = 5.679 Å, c = 4.050 Å, β = 90.15°의 격자 매개변수를 가지며, 직각 대칭에서의 약간의 비대칭을 나타낸다.
• 단세립 상의 bₘ축은 허구의 입방 [110] 방향에 정렬되어 있어 국소 대칭 붕괴를 이해하는 데 핵심적이다.
• 이 단세립 상은 라인보하형(R3m)과 테트라고날(P4mm) 상 사이의 모트로피크 상 경계 영역에서 형성되며, 다이폴 모멘트 정렬에 의한 구조 전이를 시사한다.
• 최근 보고된 Pb(Zn₁/₃Nb₂/₃)O₃–PbTiO₃에서의 Pm형(M_C) 단세립 상과는 다름을 확인하여 리랙서 기반 시스템에서의 구조적 다양성을 입증한다.
• [001] 방향으로의 다이폴 모멘트 정렬이 이 상을 안정화시키며, 전기장 역사를 통해 상 형성이 결정적인 역할을 한다는 것을 시사한다.