[论文解读] Elastic precursor effects during Ba1−xSrxTiO3 ferroelastic phase transitions

F. Cordero, F. Trequattrini+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2022

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用 2

一句话总结

本研究调查了Ba₁₋ₓSrₓTiO₃固溶体中的弹性前驱软化现象，发现BaTiO₃中弹性软化可持续至750 K，幂律指数κ ≈ 0.2，远低于位移型体系的预期下限。结果表明，随着Ba含量增加，相变机制从位移型向弱有序/无序特征转变，其驱动力为动态局部纳米结构及软声子涨落。

ABSTRACT

Elastic softening in the paraelastic phases of Ba$_{1-x}$Sr$_{x}$TiO$_{3}$ is largest near the transition temperatures and decreases on heating smoothly over extended temperature ranges. Softening extends to the highest measured temperature(850~K) for Ba-rich compounds. The temperature evolution of the excess compliance of the precursor softening follows a power law $δS\propto |T-T_{\mathrm{C}}|^{-κ}$\ with a characteristic exponent $κ$\ ranging between 1.5 in SrTiO$_{3}$\ and 0.2 in BaTiO$_{3}$. The latter value is below the estimated lower bounds of displacive systems with three orthogonal soft phonon branches (0.5). An alternative Vogel-Fulcher analysis shows that the softening is described by extremely low Vogel-Fulcher energies $E_{a}$, which increase from SrTiO$_{3}$% \ to BaTiO$_{3}$\ indicating a change from a displacive to a weakly order/disorder character of the elastic precursor. Mixed crystals of Ba$_{x}$% Sr$_{1-x}$TiO$_{3}$ possess intermediate behaviour. The amplitudes of the precursor elastic softening increases continuously from SrTiO$_{3}$ to BaTiO$% _{3}$. Using power law fittings reveals that the elastic softening is still $% 33\%$ of the unsoftened Young's modulus at temperatures as high as 750 K in BaTiO$_{3}$ with $κ\simeq $ 0.2. This proves that the high temperature elastic properties of these materials are drastically affected by elastic precursor softening.

研究动机与目标

• 研究Ba₁₋ₓSrₓTiO₃在铁弹性相变温度区域的顺电相中弹性软化的温度演化行为。
• 通过分析软化行为的幂律和Vogel-Fulcher关系，确定弹性前驱效应的本质。
• 评估随着Sr/Ba比例变化，相变机制中从位移型向有序/无序特征的转变过程。
• 量化高温下弹性软化的程度及其对高温力学行为的影响。

提出的方法

• 测量了Ba₁₋ₓSrₓTiO₃固溶体在高达850 K温度范围内的温度依赖弹性柔量（过剩柔量δS）。
• 采用幂律关系δS ∝ |T − TC|⁻κ拟合弹性软化的温度依赖性，以提取临界指数κ。
• 应用Vogel-Fulcher分析，利用活化能Ea建模软化行为，评估热激活动力学特性。
• 对比从x = 0到x = 1的整个固溶体系列行为，识别从SrTiO₃到BaTiO₃的趋势。
• 利用软模耦合与声子涨落的理论模型，解释观测到的软化机制。
• 将软化行为与顺电相中动态局部纳米结构及极性纳米区的存在相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ba₁₋ₓSrₓTiO₃顺电相中的弹性软化如何随温度演化？在高温下其软化程度如何？
• RQ2 在幂律描述δS ∝ |T − TC|⁻κ中，临界指数κ的值是多少？其在固溶体系列中如何变化？
• RQ3 BaTiO₃中的弹性前驱软化是否偏离了位移型体系的预期下限（κ ≥ 0.5）？这对相变机制意味着什么？
• RQ4 从SrTiO₃到BaTiO₃，Vogel-Fulcher分析中的活化能Ea如何变化？这揭示了相变特征的何种信息？
• RQ5 动态局部纳米结构与软声子涨落在观测到的弹性软化中贡献程度如何？

主要发现

• 在Ba-rich的Ba₁₋ₓSrₓTiO₃中，弹性软化可持续至850 K，此时过剩柔量δS仍达到未软化杨氏模量的33%。
• 在BaTiO₃中，临界指数κ约为0.2，远低于具有三个正交软声子分支的位移型体系的理论下限0.5。
• Vogel-Fulcher活化能Ea从SrTiO₃到BaTiO₃逐渐增加，表明相变机制从位移型向弱有序/无序特征转变。
• BaxSr1−xTiO₃固溶体表现出中间行为，证实了软化行为在固溶体系列中连续演化。
• 采用κ ≈ 0.2的幂律拟合δS ∝ |T − TC|⁻κ，即使在远高于相变温度的区域，也能稳健描述弹性软化行为。
• 结果表明，Ba₁₋ₓSrₓTiO₃的高温弹性性能显著受前驱软化影响，暗示动态局部纳米结构具有强烈作用。