[논문 리뷰] Origin of Large Dielectric Constant with Large Remnant Polarization and Evidence of Magnetoelectric Coupling in Multiferroic La modified BiFeO3-PbTiO3 Solid Solution

Anupinder Singh, Ratnamala Chatterjee외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 02. 08.

Multiferroics and related materials참고 문헌 32인용 수 42

한 줄 요약

이 연구는 La Dopant을 가진 BiFeO3-PbTiO3 고체 용액을 조사하여, 큰 유전율 및 잔류 극성이 결정립 경계에서의 공간 전하 극성이 기인함을 밝혀냈으며, 이는 임피던스 분광법과 Maxwell-Wagner 모델링을 통해 확인되었다. 자성-전기 상호작용은 약 170 K에서 나타나며, 중성자 회절 및 자극전기 측정을 통해 검증되었으며, 이는 구조적 비정상성과 다중철성 기능성 간의 연관성을 나타낸다.

ABSTRACT

The presence of superlattice reflections and detailed analyses of the powder neutron and x-ray diffraction data reveal that La rich (BF$_{0.50}$-LF$_{0.50}$)$_{0.50}$-(PT)$_{0.50}$ (BF-LF-PT) has ferroelectric rhombohedral crystal structure with space group extit{$R3c$} at ambient conditions. The temperature dependence of lattice parameters, tilt angle, calculated polarization $(P_{s})$, volume, and integrated intensity of superlattice and magnetic reflections show an anomaly around 170 K. Impedance spectroscopy, dielectric and ac conductivity measurements were performed in temperature range $473K \leq T \leq 573K$ to probe the origin of large remnant polarization and frequency dependent broad transitions with large dielectric constant near $T_c^{FE}$. Results of impedance spectroscopy measurements clearly show contributions of both grain and grain boundaries throughout the frequency range ($10^{3}$ Hz$\leq f\leq 10^{7} $ Hz). It could be concluded that the grain boundaries are more resistive and capacitive as compared to the grains, resulting in inhomogeneities in the sample causing broad frequency dependent dielectric anomalies. Enhancement in dielectric constant and remnant polarization values are possibly due to space charge polarization caused by piling of charges at the interface of grains and grain boundaries. The imaginary parts of dielectric constant ($ε^{\prime\prime}$) Vs frequency data were fitted using Maxwell-Wagner model at $T_c^{FE}(\sim 523$K) and model fits very well with the data up to $10^{5}$ Hz. Magnetodielectric measurements prove that the sample starts exhibiting magnetoelectric coupling at $\sim 170$ K, which is also validated by neutron diffraction data.

연구 동기 및 목표

• La 도핑된 BiFeO3-PbTiO3 고체 용액에서 큰 유전율과 높은 잔류 극성이 발생하는 원인을 이해하는 것.
• 결정립 경계와 공간 전하 극성이 유전율 비정상성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 자성-전기 상호작용의 시작 시점을 규명하고, 이를 구조 전이와 연관짓는 것.
• 격자 매개변수, 극성 및 자성 질서의 온도 의존적 변화를 분석하는 것.
• 중성자 및 X선 회절을 통해 초격자 및 자성 피크의 존재를 검증하는 것.

제안 방법

• 결정 구조 및 초격자 피크를 확인하기 위해 분말 중성자 회절 및 X선 회절을 수행함.
• 10³–10⁷ Hz 및 473–573 K 범위에서 임피던스 분광법을 수행하여 결정립과 결정립 경계의 기여를 분리함.
• 주파수 의존성 전이를 분석하기 위해 유전율 및 고주파 전도도 측정을 실시함.
• TcFE ~523 K에서 ε′′ 대 주파수 데이터에 Maxwell-Wagner 모델을 적용하여 공간 전하 극성이 확인됨.
• 자극전기 측정을 통해 자성-전기 상호작용을 탐지하였으며, 중성자 회절 데이터와 결과를 비교함.
• 온도 의존적 격자 매개변수, 기울기 각도 및 초격자 및 자성 피크의 통합 강도를 분석하여 비정상성을 규명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La 수정된 BiFeO3-PbTiO3 고체 용액에서 큰 유전율과 높은 잔류 극성이 발생하는 원인은 무엇인가요?
• RQ2 결정립 경계는 주파수 의존성 유전율 비정상성과 강화된 극성에 어떻게 기여하는가요?
• RQ3 자성-전기 상호작용은 어느 온도에서 나타나며, 이를 구조적 및 자성 전이와 어떻게 연관지을 수 있나요?
• RQ4 TcFE 근처에서 관찰된 유전율 거동에서 공간 전하 극성이 수행하는 역할은 무엇인가요?
• RQ5 초격자 및 자성 피크는 다중철성 행동의 시작과 어떻게 관련이 있나요?

주요 결과

• 표본은 대기 조건에서 유전체 라인노하드로 형태를 가지며, 공간군 R3c로 중성자 및 X선 회절에 의해 확인됨.
• 약 170 K에서 격자 매개변수, 기울기 각도, 극성 및 피크 강도에 비정상성이 관찰되어 상 전이가 발생함을 시사함.
• 임피던스 분광법은 결정립 경계가 결정립보다 더 높은 저항성과 커패시티브 성질을 가지며, 비균일성에 기여함을 밝혀냄.
• 큰 유전율 및 잔류 극성은 결정립 경계 인터페이스에서의 공간 전하 극성에 기인함.
• TcFE (~523 K)에서 ε′′ 대 주파수 데이터에 대해 Maxwell-Wagner 모델이 10⁵ Hz 이하까지 잘 맞아떨어지며, 공간 전하 극성 모델을 지지함.
• 자극전기 측정 및 중성자 회절 결과는 자성-전기 상호작용이 약 170 K에서 시작됨을 확인함.