[論文レビュー] Diffuse scattering from the lead-based relaxor ferroelectric PbMg_1/3Ta_2/3O_3

Antonio Cervellino, S. N. Gvasaliya+7 more|ArXiv.org|Aug 20, 2009

X-ray Diffraction in Crystallography参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、単結晶中性子および同期放射X線回折を用いて、PbMg₁/₃Ta₂/₃O₃における極性ナノ領域（PNRs）が、<111>方向に沿った静的なPb²⁺の変位によって生じることを示した。相関長は<111>および<11¯0>方向で最も大きく、<11¯2>方向で最も短い。モデルは(H00)面における特徴的なバタフライ型の散乱を再現し、<112>方向にストリークを示す。これにより、異方的でパンケーキ型のPNRs幾何構造が確認された。

ABSTRACT

The relaxor ferroelectric PbMg_1/3Ta_2/3O_3 was studied by single-crystal neutron and synchrotron x-ray diffraction and its detailed atomic structure has been modeled in terms of static Pb-displacements that lead to the formation of polar nanoregions. Similar to the other members of the Pb-based relaxor family like PbMg_1/3Nb_2/3O_3 or PbZn_1/3Nb_2/3O_3 the diffuse scattering in the [H,0,0]/[0,K,0] scattering plane has a butterfly-shape around the (h,0,0) Bragg reflections and is transverse to the scattering vector for (h,h,0) peaks. In the [H,H,0]/[0,0,L] plane the diffuse scattering is elongated along the &lt;1,1,2&gt; directions and is transverse to the scattering vector for (h,h,h) reflections. We find that a model consisting of correlated Pb-displacements along the &lt;1,1,1&gt;-directions reproduces the main features of the diffuse scattering in PbMg_1/3Ta_2/3O_3 adequately when the correlation lengths between the Pb-ion displacement vectors are longest along the &lt;1,1,1&gt; and &lt;1,-1,0&gt; and shortest along &lt;1,1,-2&gt; directions.

研究の動機と目的

• リラクサー鉛ガラス性フェロエレクトリックPbMg₁/₃Ta₂/₃O₃における散乱の原子的起源を特定すること。
• 極性ナノ領域（PNRs）を引き起こすPb²⁺変位の方向および相関長を同定すること。
• Pb変位に基づくモデルが、観測された散乱パターンを再現できるかどうかを検証すること。
• PNRsの幾何的異方性と、逆空間における観測散乱強度分布との関係を明確にすること。

提案手法

• 散乱強度を逆空間で測定するために、単結晶中性子回折および同期放射X線回折が用いられた。
• 低温でのPbサイトにおける二重井戦いポテンシャルの発生を検出するために、パテラーソン解析が適用された。
• <111>および<11¯0>方向に相関するPb²⁺変位に基づく構造モデルが構築され、実験データと照合された。
• 変位ベクトルw₁ = 1/√2[1,-1,0]、w₂ = 1/√3[1,1,1]、w₃ = 1/√6[1,1,-2]に沿った原子変位モデルを用いて散乱強度が計算された。各方向に相関長が割り当てられた。
• 計算された散乱マップと実験データを(H00)、(HH0)、(HHH)回折平面で比較することで、モデルが精練された。
• 散乱強度の温度依存性を分析し、Pb変位の進化およびPNR形成のプロセスを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PbMg₁/₃Ta₂/₃O₃における散乱を引き起こすPb²⁺変位の方向は何か？
• RQ2 この材料における異なる結晶学的方向に沿ったPb変位の相関長はどのように変化するか？
• RQ3 なぜ(H00)面ではバタフライ型の散乱が、(HH0)面では<112>方向にストリークが観測されるのか？
• RQ4 Pb²⁺変位に基づくモデルが、観測された散乱パターンを説明できるか？
• RQ5 PbMg₁/₃Ta₂/₃O₃における極性ナノ領域（PNRs）の幾何的形状とサイズは何か？

主な発見

• (H00)面における散乱はバタフライ型を示し、(HH0)面では散乱ベクトルに直交するストリークを形成する。これは、相関長が異方的であるPNRsと整合的である。
• Pb²⁺イオンは主に<111>方向に変位しており、低温で約0.3 Åの変位振幅を示す。
• Pb変位の相関長は<111>および<11¯0>方向で最も大きく（L₁ ≈ 50 Å、L₂ ≈ 30 Å）、<11¯2>方向で最も短い（L₃ ≈ 4 Å）ため、パンケーキ型のPNRsであると示唆される。
• <111>方向へのPb変位を含むモデルが、実験的散乱パターンと最も良好に一致するが、他の変位方向ではブラaggピーク周辺の強度ウェッジを再現できない。
• 特定の散乱ストリークの消滅は、モデルから導かれた構造因子の形と整合的であり、Pbサイトに二重井戦いポテンシャルが存在することを支持する。
• 分析により、Pb変位が散乱の主因であることが確認されたが、BサイトおよびOサイトの変位は、本研究では完全に解明されていない二次的寄与を示す可能性がある。