[논문 리뷰] Translational boundaries as incipient ferrielectric domains in antiferroelectric PbZrO3

Ying Liu, Ranming Niu외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 16.

Multiferroics and related materials인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 반자성체 PbZrO3 기질에서 이sovolumetric 경계가 '위-아래-위' 전기다극자 배열을 수반하는 초기 페리전자 영역을 형성함을 밝혀내며, 이는 0K에서의 기저 상태로 확인된다. 보정된 왜곡을 고려한 STEM를 통해 저자들은 실온에서 이러한 극성 영역이 반자성체 상과 공존하고 있음을 관찰하였으며, 이는 히스테리시스 루프에서 비제로 잔류 극성을 설명한다.

ABSTRACT

In the archetypal antiferroelectric PbZrO3, antiparallel electric dipoles cancel each other, resulting in zero spontaneous polarisation at the macroscopic level. Yet in actual hysteresis loops, the cancellation is rarely perfect and some remnant polarization is often observed, suggesting the metastability of polar phases in this material. In this work, using aberration-corrected scanning transmission electron microscopy methods on a PbZrO3 single crystal, we uncover the coexistence of the common antiferroelectric phase and a ferrielectric phase featuring an electric dipole pattern of "up down up". This dipole arrangement, predicted by Aramberri et al. (2021) to be the ground state of PbZrO3 at 0K, appears at room temperature in the form of translational boundaries that aggregate to form wider stripe domains of the polar phase embedded within the antiferroelectric matrix.

연구 동기 및 목표

• macroscopic하게 다극자들이 상쇄되는 바에 불구하고 반자성체 PbZrO3에서 비제로 잔류 극성이 발생하는 원인을 이해하는 것.
• PbZrO3에서의 비안정 극성 상의 미세 구조적 기원을 조사하여 히스테리시스 루프의 이상 현상에 대한 설명을 제공하는 것.
• 원자 척도에서 반자성체와 페리전자 상의 공존을 규명하고 특성화하는 것.
• '위-아래-위' 전기다극자 배열이 0K 기저 상태로 예측된 바가 있으나, 실온에서 안정화될 수 있는지 확인하는 것.
• 반자성체 기질 내 극성 영역을 핵형성하는 데 있어 이sovolumetric 경계의 역할을 탐색하는 것.

제안 방법

• PbZrO3 단결정에서 원자 척도의 구조와 극성을 이미징하기 위해 보정된 왜곡을 고려한 스캐닝 투과형 전자현미경(AC-STEM)을 사용하였다.
• 코어 이온의 위치와 局소 전자 구조를 해석하기 위해 고각도 원형 어두운 영역(HAADF) 영상 및 전자 에너지 손실 분광법(EELS)을 활용하였다.
• 관측된 다극자 패턴을 분석하여 반자성체와 페리전자 질서를 구분하였다.
• 이sovolumetric 경계의 공간 분포를 매핑하고, 이들이 더 넓은 스트라이프 형태의 영역으로 집합되는 방식을 분석하였다.
• Aramberri 등(2021)의 이론 예측과 실험 관측을 비교하여 PbZrO3의 0K 기저 상태에 대한 이론적 결과를 검증하였다.
• 반자성체 기질 내에 임베디드된 극성 영역의 안정성과 형태를 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0K 기저 상태로 예측된 '위-아래-위' 다극자 배열이 실온에서 관측될 수 있는가?
• RQ2 이sovolumetric 경계가 반자성체 기질 내 극성 상을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 관측된 극성 영역은 히스테리시스 루프에서 관측된 비제로 잔류 극성과 어떻게 관련이 있는가?
• RQ4 관측된 영역이 결함이나 응력 효과가 아닌, 초기 페리전자 질서의 정도를 어느 정도 반영하는가?
• RQ5 PbZrO3에서 반자성체와 페리전자 상 사이의 전이에 대한 구조적 및 전자적 특징은 무엇인가?

주요 결과

• PbZrO3에서 이sovolumetric 경계는 이론적으로 예측된 PbZrO3의 0K 기저 상태와 일치하는 '위-아래-위' 다극자 패턴을 수반한다.
• 이러한 경계는 더 넓은 스트라이프 형태의 영역으로 집합되며, 반자성체 기질 내에서 페리전자 성질을 나타낸다.
• 관측된 극성 영역은 실험적으로 관측된 비제로 잔류 극성을 설명한다.
• 보정된 왜곡을 고려한 STEM 영상은 원자 해상도에서 반자성체와 페리전자 상의 공존을 직접 시각화하였다.
• 페리전자 영역는 외부 전기장이나 결함이 아닌, 이sovolumetric 경계에서의 구조적 왜곡에 의해 안정화된다.
• 결과적으로, 페리전자 상은 고온 상이 아니라 실온에서 존재하는 비안정적이고 초기 상태의 상임을 확인하였다.