[논문 리뷰] Physical and Dielectric Properties of Polycrystalline LaV$_{0.5}$Nb$_{0.5}$O$_4$

Ashok Kumar, Simranjot K. Sapra외 4명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 22.

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한 줄 요약

논문은 두 가지 소결 온도(1000°C 및 1250°C)가 LaV0.5Nb0.5O4 다결정체의 구조, 진동 거동, 전자 상태 및 유전 특성에 미치는 영향을 분석한다.

ABSTRACT

We report a detailed investigation of the structural, electronic, vibrational, and dielectric properties of polycrystalline LaV$_{0.5}$Nb$_{0.5}$O$_4$ samples, prepared at two sintering temperatures (1000\degree C and 1250\degree C). The introduction of Nb$^{5+}$ at the V$^{5+}$ site leads to notable structural and vibrational changes, which can be attributed to their isoelectronic nature and the comparatively larger ionic radius of Nb$^{5+}$. The Rietveld refinement of the X-ray diffraction patterns confirms a coexistence of monoclinic ($P$2$_{1}$/$n$) and scheelite-type tetragonal ($I$4$_{1}$/$a$) phases; for example, with a fraction of 4\% and 96\% for the sample annealed at 1250\degree C. The particle morphology has altered from spherical (1000\degree C) to irregular-shaped (1250\degree C) as a result of increase in annealing temperature. The Raman spectroscopy, Fourier Transform Infrared spectroscopy and X-ray Photoemission Spectroscopy have been used to understand the vibrational and electronic properties. An optical band gap of 2.7~eV for the sample sintered at 1250\degree C is calculated using Ultraviolet-vis diffuse reflectance spectroscopy measurements. The dielectric studies shows the higher dielectric permittivity ($ε$$_{r}$) and lower dielectric loss for the sample annealed at 1250\degree C.

연구 동기 및 목표

• Nb5+ 치환이 V5+ 위치에 있을 때 LaVO4 기반 직교 변산광의 구조 및 진동 특성에 미치는 영향 연구.
• 소결 온도에 따른 위상 구성 및 형상을 특성화.
• XPS 및 관련 분광법을 사용한 전자 구조 및 산화 상태 결정.
• UV-vis DRS를 통한 광대역 밴드갭 및 진동 스펙트럼(라만, FTIR) 분석.
• 온도 및 주파수에 따른 유전 유정수 및 손실 평가.

제안 방법

• 1000°C에서 소성 및 1250°C에서 최종 소결을 거친 일반적 고상 합성으로 LaV0.5Nb0.5O4 합성.
• XRD 패턴의 리에틀드(Rietveld) 정제를 통해 단사 결정(monoclinic, P2_1/n) 및 scheelite형 사방정(이4_1/a) 위상 분율을 정량.
• FE-SEM과 EDX를 이용한 형태 및 원소 매핑; TEM으로 미세구조 및 SAED; HR-TEM으로 격자 간격 확인.
• 라만 및 FTIR( ATR ) 분광법으로 진동 특성 분석; Nb, V, La, O 핵심 준위로 XPS를 통해 전자 구조 분석.
• Kubelka–Munk 변환과 Tauc 그래프를 이용한 UV-vis 확산 반사 분광법으로 광학 밴드갭 추정.

Figure 1: The room temperature XRD patterns with Rietveld refinement of (a) LVNO-1000 and (b) LVNO-1250 samples. The open red circles, black solid line, and blue solid line exhibits the experimental, calculated, and the difference between experimental and calculated pattern, respectively. The vertic

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Nb5+ 치환이 V5+ 위치에 있을 때 LaVO4 기반 직교 변산광의 위상 안정성 및 공존하는 단사 및 사방정 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 Nb 도입 및 소결 온도에 따른 진동(Raman/FTIR) 및 전자(XPS) 서명은 어떻게 달라지는가?
• RQ3 소결 온도 및 결과 위상 분율이 LaV0.5Nb0.5O4의 유전 특성과 광학 밴드갭에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• XRD는 단사 P2_1/n와 scheelite형 사방정 I4_1/a 위상의 공존을 보여준다; LVNO-1000은 대략 51% 사방정 및 49% 단사, LVNO-1250은 대략 96% 사방정 및 4% 단사이다.
• 형태가 1000°C에서 구형 입자에서 1250°C에서 불규칙한 형태와 더 넓은 결정립 분포로 바뀌며, 높은 온도에서 더 큰 결정립을 보인다.
• UV-vis DRS는 광학 밴드갭을 약 3.2 eV(1000°C) 및 약 2.7 eV(1250°C)로 나타내며, 사방정 위상 함량 증가에 따른 밴드갭 축소를 시사한다.
• FTIR 및 라만 스펙트럼은 VO4^3−의 존재와 Nb 도입을 확인하고, 특정 모드의 세기가 온도 상승에 따라 증가하여 위상 변화를 반영한다.
• XPS는 Nb5+, V5+, La3+ 산화 상태를 확인하며; La 3d 핵심 준위는 샛별 피처 및 샘플 간 약간의 결합에너지 시프트를 보인다.
• 유전 연구는 1250°C 샘플에서 더 높은 유전율과 더 낮은 유전 손실을 보여 주며, 이는 밀집화 증가 및 기공도 감소에 기인한다.

Figure 2: The FE-SEM images of the LVNO-1000 sample at (a) 1 $\mu$ m, (b) 500 nm and (c) probed region of scan (at 5 $\mu$ m) with the corresponding elemental mappings of all elements; the FE-SEM images of the LVNO-1250 sample at (d) 1 $\mu$ m, (e) 500 nm and (f) probed region of scan (at 5 $\mu$ m)