[논문 리뷰] Surface and finite size effects impact of the phase diagrams, polar and dielectric properties of (Sr,Bi)Ta2O9 ferroelectric nanoparticles

E. A. Eliseev, А. В. Семченко외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 19.

Elasticity and Wave Propagation인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 표면 효과와 유한한 크기 효과가 (Sr,Bi)Ta2O9 페로일렉트릭 나노입자의 상도도, 극화도 및 유전율 성질에 미치는 영향을 랑그랑지안-긴츠부르크-데본시(LGD) 열역학 모델과 전기역학을 결합하여 조사한다. 이는 임계 크기, 상전이 온도, 자발 극화도 및 비틀림장력이 입자 크기와 표면 스크리닝 길이의 비율에 크게 의존하며, 특히 Sr/Bi 비율이 0.5에서 벗어날 경우 유연-화학적 효과에 의해 크게 조절된다는 것을 밝혀낸다.

ABSTRACT

In the framework of the thermodynamic approach Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD) combined with the equations of electrostatics, we investigated the effect of polarization surface screening on finite size effects of the phase diagrams, polar and dielectric properties of ferroelectric nanoparticles of different shapes. We obtained and analyzed the analytical results for the dependences of the ferroelectric phase transition temperature, critical size, spontaneous polarization and thermodynamic coercive field on the shape and size of nanoparticles. The pronounced size effect of these characteristics on the scaling parameter, the ratio of the particle characteristic size to the length of the surface screening, was revealed. Also our modeling predicts a significant impact of the flexo-chemical effect (that is a joint action of flexoelectric effect and chemical pressure) on the temperature of phase transition, polar and dielectric properties of nanoparticles when their chemical composition deviates from the stoichiometric one. We showed on the example of the stoichiometric nanosized and fine SrBi2Ta2O9 particles that except the vicinity of the critical size, where the system splitting into domains has an important role, results of analytical calculation of the spontaneous polarization have little difference from the numerical ones. We revealed a strong impact of the flexo-chemical effect on the phase transition temperature, polar and dielectric properties of SryBi2+xTa2O9 nanoparticles when the ratio Sr/Bi deviates from the stoichiometric value of 0.5 from 0.35 to 0.65. From the analysis of experimental data we derived the parameters of the theory, namely coefficients of expansion of the LGD functional, contribution of flexo-chemical effect and the length of the surface screening.

연구 동기 및 목표

• 유한한 크기와 표면 효과가 (Sr,Bi)Ta2O9 나노입자의 상 안정성과 페로일렉트릭 성질에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 표면 스크리닝 길이가 임계 크기와 상전이 온도를 결정하는 데 기여하는 바를 정량화하기 위해.
• 화학적 비스토이키오메트리(스테이트/비스토이키오메트리 비율)가 유연-화학적 효과를 통해 페로일렉트릭 거동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 특히 임계 크기 근처에서 수치 시뮬레이션과 비교하여 분석적 LGD 기반 예측의 정확도를 검증하기 위해.
• 실험 데이터로부터 핵심 물성 매개변수(LGD 계수, 유연-화학 기여도, 스크리닝 길이)를 추출하기 위해.

제안 방법

• 페로일렉트릭 질서 매개변수를 모델링하기 위해 열역학적 랑그랑지안-긴츠부르크-데본시(LGD) 자유 에너지 함수를 사용하였다.
• 데폴라라이제이션 필드와 표면 스크리닝 효과를 고려하기 위해 포아송 방정식을 통한 전기역학을 통합하였다.
• 입자 크기와 형상에 따른 상전이 온도, 자발 극화도 및 비틀림장력의 분석적 표현을 유도하였다.
• 입자 특성 크기와 표면 스크리닝 길이의 비율을 스케일링 파라미터로 도입하였다.
• 유연-화학 효과를 유연전기 결합과 Sr/Bi 비율의 변화에 의한 화학적 압력의 공동 기여로 모델링하였다.
• 이론적 예측을 실험 데이터에 맞추어 물성에 특화된 매개변수, 즉 스크리닝 길이와 유연-화학 계수를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 크기와 표면 스크리닝 길이의 비율이 (Sr,Bi)Ta2O9 나노입자의 임계 크기와 상전이 온도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 표면 스크리닝과 유한한 크기 효과가 자발 극화도와 유전율 반응에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 스테이트/비스토이키오메트리 비율이 0.5에서 벗어날 경우, 유연-화학 효과를 통해 상전이 온도와 극화도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 특히 임계 크기 근처에서 분석적 LGD 예측이 수치 시뮬레이션에 비해 얼마나 정확한가?
• RQ5 실험적으로 유도된 (Sr,Bi)Ta2O9 나노입자에서의 LGD 기능 계수와 표면 스크리닝 길이의 값은 무엇인가?

주요 결과

• 페로일렉트릭성의 임계 크기는 표면 스크리닝 길이에 반비례하며, 크기 대 스크리닝 길이 비율에 따라 뚜렷한 의존성을 보인다.
• 데폴라라이제이션 필드와 표면 스크리닝으로 인해 입자 크기가 감소함에 따라 자발 극화도가 크게 감소하며, 임계 크기 근처를 제외한 영역에서 분석 결과는 수치 시뮬레이션과 밀도 있는 일치를 보인다.
• 스테이트/비스토이키오메트리 비율이 0.5에서 벗어날 경우(예: 0.35에서 0.65로), 강한 유연-화학 효과가 발생하여 상전이 온도를 이동시키고 극화도 및 유전율 성질을 수정한다.
• 유연-화학 효과는 정량적으로도 뚜렷하며, 비스토이키오메트리에서 중간 정도의 벗어남에도 상전이 온도와 극화도에 측정 가능한 변화를 유도한다.
• 실험 데이터로부터 추출된 표면 스크리닝 길이는 크기 의존성 페로일렉트릭 안정성을 규명하는 데 핵심적인 매개변수로 밝혀졌다.
• 유연-화학 기여도를 포함한 이론적 예측은 비틀림장력과 상전이 온도가 실험 관측치와 양호한 일치를 보였다.