[論文レビュー] Direct observation of the formation of polar nanoregions in Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3}$)O$_3$ using neutron pair distribution function analysis

Il‐Kyoung Jeong, T. W. Darling+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2004

X-ray Diffraction in Crystallography被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、1000 K から 15 K の温度範囲で、中性子対分布関数（PDF）分析を用いて Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃（PMN）における極性ナノ領域（PNRs）の形成を直接観察した。温度が低下するに従い、PNRs の体積分率は 0% から約 30% に増加し、200 K 未満でパーコレーション閾値に達する。このとき、PNRs が重なり合い、相互に接続し始める。これにより、PMN における緩和体フェロエレクトリック行動の中心的役割を果たすパーコレーション PNRs の直接的な構造的証拠が得られた。

ABSTRACT

Using neutron pair distribution function (PDF) analysis over the temperature range from 1000 K to 15 K, we demonstrate the existence of local polarization and the formation of medium-range, polar nanoregions (PNRs) with local rhombohedral order in a prototypical relaxor ferroelectric Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3}$)O$_3$. We estimate the volume fraction of the PNRs as a function of temperature and show that this fraction steadily increases from 0 % to a maximum of $\sim$ 30% as the temperature decreases from 650 K to 15 K. Below T$\sim$200 K the PNRs start to overlap as their volume fraction reaches the percolation threshold. We propose that percolating PNRs and their concomitant overlap play a significant role in the relaxor behavior of Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3}$)O$_3$.

研究の動機と目的

• 広い温度範囲にわたり、中性子 PDF 分析を用いて Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃（PMN）における局所的および中距離の構造相関を直接観察すること。
• ボーンズ温度未満における、斜方対称性を示す極性ナノ領域（PNRs）の存在とその進化を特定すること。
• 温度関数としての PNR の体積分率を定量的に評価し、緩和体行動におけるその役割を検討すること。
• PNRs 間のパーコレーションの発生と、誘電的および構造的不連続性との相関を調査すること。

提案手法

• 中性子 PDF 測定は、LANSCE施設の NPDF 機器を用いて、1000 K から 15 K の温度範囲で実施された。
• 生データから背景、吸収、多重散乱を補正した総散乱構造関数 S(Q) を抽出し、バナジウム標準を用いて正規化した。
• Q[S(Q) - 1] のフーリエ変換により PDF G(r) を得た。これにより、短距離、中距離、長距離の構造相関にアクセス可能となった。
• 二相モデル PDF は、Gₘ = α(T)G_R + (1 - α(T))G_C の形で構築された。ここで G_R と G_C はそれぞれ斜方相および立方相のモデル PDF である。
• 各温度における実験データにモデル PDF をフィッティングするため、逆モンテカルロ（RMC）法を用いて、斜方相（PNR）の体積分率 α(T) を精査した。
• ボンヌら（1991）の熱的パラメータを、立方相および斜方相の両モデルに一貫して適用し、温度依存的 PDF モデルの正確性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボーンズ温度未満の PMN において、局所的な斜方対称性を示す極性ナノ領域（PNRs）が形成されるか。また、その温度依存的進化はいかなるものか。
• RQ2 PMN における PNR の体積分率は温度にどのように依存するか。パーコレーション閾値に達するか。
• RQ3 PNRs の構造的特徴は、PMN におけるマクロな誘電的不連続性とどのように相関するか。
• RQ4 ~200 K 未満で、PNRs の重なりおよびパーコレーションの証拠があるか。また、これと観測された相関長の増加はどのように関連するか。

主な発見

• PMN における極性ナノ領域（PNRs）の体積分率は、650 K で 0% から始まり、15 K で最大の約 30% にまで徐々に増加した。
• ~200 K 未満で、PNRs は三次元パーコレーション閾値（P_c ~ 28%）に達し、ナノ領域同士の重なりや接続の開始が示された。
• 局所的分極の相関長は、温度が低下するに従い、約 15 Å から約 60 Å に増加し、~200 K での PNR パーコレーションの発生と相関した。
• 実験的 PDF は、明確な中距離相関を示し、斜方モデルと一致しており、局所的斜方対称性を持つ秩序立った PNR の存在を確認した。
• 二相モデル PDF と実験データの一致は、全温度範囲で良好であり、PNR 体積分率の定量的推定が妥当であることを裏付けた。
• 本研究の結果は、パーコレーション PNR が PMN の緩和体フェロエレクトリック行動（誘電分散および外部電場誘起相転移を含む）の中心的役割を果たす、直接的な局所的構造的証拠を提供した。