[논문 리뷰] Reentrant phase in nanoferroics induced by the flexoelectric and Vegard effects

Anna N. Morozovska, M. D. Glinchuk|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 22.

Nonlocal and gradient elasticity in micro/nano structures참고 문헌 2인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 구형 BaTiO3 나노입자(5–50 nm)에서의 재진입 페로일렉트릭 상전이를 Landau-Ginzburg-Devonshire 접근법을 사용하여 설명한다. 여기서 도약 전기쌍용과 Vegard 효과(화학적 압력)의 상호작용이 크기가 감소함에 따라 페로일렉트릭 상을 안정화시키며, 이는 일반적으로 예상되는 크기 유도 페로일렉트릭에서 반도체로의 전이와는 정반대이다. 주요 결과는 입자 크기가 감소할수록 전이 온도와 극화도가 증가함을 보여주며, 이는 이전에 설명되지 않았던 실험에서 관측된 재진입 행동을 설명한다.

ABSTRACT

We explore the impact of the flexoelectric effect and Vegard effect (chemical pressure) on the phase diagrams, long-range polar order and related physical properties of the spherical ferroelectric nanoparticles using Landau-Ginzburg-Devonshire phenomenological approach. The synergy of these effects can lead to the remarkable changes of the nanoparticles' phase diagrams. In particular, a commonly expected transition from ferroelectric to paraelectric phase at some small critical size is absent; so that the critical size loses its sense. Contrary, the stabilization of the ferroelectric phase manifests itself by the enhancement of the transition temperature and polarization with the particle size decrease. Ferroelectric phase reentrant phenomenon was observed earlier in the tetragonal BaTiO3 nanospheres of radii 5-50 nm [Zhu et al., JAP 112, 064110 (2012)] and stayed unexplained up to now. Our calculations have shown the physical mechanism of the exciting phenomenon is the flexo-chemo-effect. Since the spontaneous flexoelectric coupling, as well as ion vacancies, should exist in any nanostructured ferroelectrics, obtained analytical results can be valid for many nanoferroelectrics, where reentrant phases appearance can be forecasted.

연구 동기 및 목표

• BaTiO3 나노입자에서의 재진입 페로일렉트릭 상전이의 기원을 이해하기 위해, 기존의 크기 스케일링 예측과 어긋나는 현상의 원인을 밝히는 것.
• 도약 전기쌍용과 화학적 압력(Vegard 효과)이 구형 페로일렉트릭 나노입자에서 상 안정성에 어떻게 함께 영향을 미치는지 조사하는 것.
• 소규모에서 기대되는 페로일렉트릭에서 반도체로의 전이가 발생하지 않는 현상을 설명하는 현상학적 모델을 개발하는 것.
• 다른 나노페로일렉트릭에서 재진입 행동을 관찰할 수 있는 조건을 예측하는 것.

제안 방법

• 구형 페로일렉트릭 나노입자의 자유 에너지를 모델링하기 위해 Landau-Ginzburg-Devonshire(LGD) 현상학적 프레임워크를 사용하였다.
• 자기 조절 도약 전기쌍용을 자유 에너지 전개식에 크기 의존성 항으로 통합하였다.
• 조성 기울기로 인한 격자 응력 모델링을 통해 Vegard 효과를 통한 화학적 압력을 반영하였다.
• 결과로 도출된 자유 에너지 최소화 문제를 해결하여 안정한 상과 전이 온도를 결정하였다.
• 분석적 및 수치적 방법을 사용하여 입자 반지름과 조성에 따른 극화도, 전이 온도 및 상도표를 계산하였다.
• Zhu 등(JAP 112, 064110, 2012)의 BaTiO3 나노스피어에 대한 실험 데이터와 결과를 비교 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 기존의 임계 크기 이하에서 페로일렉트릭 상이 예상과는 달리 유지되는가?
• RQ2 도약 전기쌍용과 Vegard 효과가 나노스케일 시스템에서 페로일렉트릭 상을 어떻게 안정화시키는가?
• RQ3 자기 극화도와 응력이 구형 나노입자에서 재진입 상 행동을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 입자 크기에 따른 전이 온도와 극화도 증가 현상을 통합된 현상학적 모델로 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 기존의 예측과는 달리, 도약 전기쌍용과 Vegard 효과의 공통 작용으로 인해 소규모에서 페로일렉트릭에서 반도체로의 전이가 관찰되지 않는다.
• 전이 온도(Tc)는 입자 반지름 감소에 따라 증가하며, 일반적인 억제 경향과는 정반대이다.
• 입자 크기가 감소함에 따라 자기 극화도가 증가하는데, 이는 도약-화학적 효과의 안정화 영향 때문이다.
• BaTiO3 나노스피어(5–50 nm)에서 관측된 재진입 상 행동은 도약 전기쌍용과 화학적 압력의 상호작용에 의해 설명된다.
• 모델은 이러한 재진입 행동이 유사한 내재 응력과 극화 기울기를 가진 다른 나노페로일렉트릭에도 일반화될 수 있음을 예측한다.