[논문 리뷰] Origin of the phase change from pyrochlore to perovskite-like layered structure and a new lead free ferroelectric

Zhipeng Gao, Yi Liu외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 03.

Nuclear materials and radiation effects참고 문헌 19인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 순수한 Eu2Ti2O7가 고압 및 고온 조건에서 흑연광석 구조에서 퍼보스카이트 유사 다층 구조(PL 구조)로의 가역적 상전이를 겪으며, 압력이 회복된 후에도 페로일렉트릭성이 유지된다는 것을 밝혀냈다. 연구 결과는 고압에서 안정화된 순수한 흑연광석 구조가 고체용액 내에서 관찰된 PL 구조의 기원임을 입증하였으며, 처음으로 납을 포함하지 않은 페로일렉트릭 물질로서의 PL Eu2Ti2O7를 확인함으로써 결함이 없는 기능성 산화물 설계를 위한 새로운 길을 제시한다.

ABSTRACT

Materials with formula of A2B2O7 is a famous family with more than 300 compounds, and have abundant properties, like ferroelectric, multiferroic, and photocatalyst properties, etc. Generally, two structures dominate this family, which are pyrochlore and perovskite-like layered (PL) structure. Previously, the structure and properties design of these materials are usually complex, and solid solutions, which complicates the manufacture, as well as introducing complexity in the study of the microscopic origins of the properties. Here, we report that the pyrochlore-PL structure change happened in pure Eu2Ti2O7 under high pressure and temperature, and the formed PL structure will transfer back by heating. These results reveal that the PL structure formed in PL-pyrochlore solid solutions, is due to tuning of the high-pressure formed PL structure in pure pyrochlore compounds to ambient pressure. These results indicate the high pressure and high temperature can be used to manipulate the crystal structures from pyrochlore to PL structure, or vice versa. Furthermore, the PL Eu2Ti2O7 was confirmed as a lead free ferroelectric material for the first time.

연구 동기 및 목표

• A2B2O7 산화물에서 흑연광석 구조에서 퍼보스카이트 유사 다층(PL) 구조로의 상전이 기원을 이해하기 위해.
• 고압 조건에서 순수한 흑연광석이 퍼보스카이트 유사 다층 구조를 직접 안정화할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 고압에서 형성된 PL 상이 대기압 조건에서 안정하고 페로일렉트릭성을 유지하는지 확인하기 위해.
• 복잡한 고체용액을 거치지 않고도 납을 포함하지 않은 페로일렉트릭 물질을 설계하는 데 새로운 길을 마련하기 위해.
• 압력과 온도가 복잡한 산화물의 결정 구조를 조작하는 데 미치는 역할을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 순수한 Eu2Ti2O7를 고압 및 고온에서 합성하여 흑연광석에서 퍼보스카이트 유사 다층(PL) 구조로의 상전이를 유도하기 위해.
• 압력과 온도 조건에서의 구조적 변화를 특성화하기 위해 현장 X선 회절 및 리에트벨드 보정을 수행하기 위해.
• 상전이의 가역성과 구조적 안정성을 시험하기 위해 탈압력 후 열처리를 수행하기 위해.
• 고압에서 형성된 PL 상의 페로일렉트릭 거동을 확인하기 위해 극성 히스테리시스 측정을 수행하기 위해.
• 고체용액 내의 퍼보스카이트 유사 다층 흑연광석과 순수한 Eu2Ti2O7의 결정 구조를 비교하여 공통된 기원을 규명하기 위해.
• 고압 조건에서의 PL 상 안정성을 설명하기 위해 열역학적 및 결정학적 분석을 수행하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수한 Eu2Ti2O7에서 고압 및 고온 조건에서 흑연광석에서 퍼보스카이트 유사 다층 구조로의 상전이를 유도하는 원인란 무엇인가?
• RQ2 고체용액에서 관찰된 퍼보스카이트 유사 다층 구조가 고압 합성에 의해 순수한 흑연광석 화합물에서 직접 안정화될 수 있는가?
• RQ3 Eu2Ti2O7에서 고압에서 형성된 PL 상이 대기압 조건으로의 탈압력 후에도 구조적 및 페로일렉트릭 성질을 유지하는가?
• RQ4 고체용액에서의 상전이 기구와는 어떻게 다를 수 있으며, 이는 PL 구조의 기원을 밝히는 데 어떤 통찰을 제공하는가?
• RQ5 이 고압 경로가 새로운 납을 포함하지 않은 페로일렉트릭 물질 개발을 위한 실현 가능한 방법이 될 수 있는가?

주요 결과

• 순수한 Eu2Ti2O7는 고압 및 고온 조건(10 GPa, 1200 °C)에서 흑연광석 구조에서 퍼보스카이트 유사 다층(PL) 구조로의 가역적 상전이를 겪는다.
• 고압에서 형성된 PL 상은 탈압력 후 대기압 조건에서 구조적 안정성을 유지하며, 이후 열처리 조건에서도 구조적 형태를 유지한다.
• Eu2Ti2O7의 PL 상은 명확한 페로일렉트릭 히스테리시스 루프를 나타내며, 이는 이 구조에서 처음으로 실험적으로 확인된 납을 포함하지 않은 페로일렉트릭 물질임을 확인한다.
• 고체용액 내에서 관찰된 PL 상의 기원은 고압에서 안정화된 순수한 흑연광석 화합물에서 기인하며, 고체용액의 내재적 특성 때문이 아니라는 것을 규명하였다.
• 상전이는 가역적이다: 고압에서 형성된 PL 상을 가열하면 다시 흑연광석 구조로 복귀한다.
• 이 연구는 복잡한 고체용액을 거치지 않고도 고압 처리를 통해 기능성 산화물을 접근할 수 있는 새로운 합성 경로를 확립하였다.