[論文レビュー] Origin of the phase change from pyrochlore to perovskite-like layered structure and a new lead free ferroelectric

Zhipeng Gao, Yi Liu+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2017

Nuclear materials and radiation effects参考文献 19被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、純粋な Eu2Ti2O7 が高温高圧下でペロブスカイトに類似した層状（PL）構造への可逆的相転移を示すことを明らかにした。この PL 相は、圧力を回復させても強誘電性を維持する。研究結果は、固体溶液における PL 構造が、純粋なペロブスカイトの高圧安定化に起因することを示し、初めて実験的に確認された lead-free 強誘電体としての PL Eu2Ti2O7 を特定した。本研究は、複雑な固体溶液を経由せずに、欠陊のない機能酸化物設計の新たな道筋を提示する。

ABSTRACT

Materials with formula of A2B2O7 is a famous family with more than 300 compounds, and have abundant properties, like ferroelectric, multiferroic, and photocatalyst properties, etc. Generally, two structures dominate this family, which are pyrochlore and perovskite-like layered (PL) structure. Previously, the structure and properties design of these materials are usually complex, and solid solutions, which complicates the manufacture, as well as introducing complexity in the study of the microscopic origins of the properties. Here, we report that the pyrochlore-PL structure change happened in pure Eu2Ti2O7 under high pressure and temperature, and the formed PL structure will transfer back by heating. These results reveal that the PL structure formed in PL-pyrochlore solid solutions, is due to tuning of the high-pressure formed PL structure in pure pyrochlore compounds to ambient pressure. These results indicate the high pressure and high temperature can be used to manipulate the crystal structures from pyrochlore to PL structure, or vice versa. Furthermore, the PL Eu2Ti2O7 was confirmed as a lead free ferroelectric material for the first time.

研究の動機と目的

• A2B2O7 酸化物におけるペロブスカイトに類似した層状（PL）構造への相転移の起源を理解すること。
• 固体溶液中に観察された PL 構造が、純粋なペロブスカイトが高圧条件下で起源をもつ可能性を検討すること。
• Eu2Ti2O7 における高圧で形成された PL 相が、常圧下でも安定であり、強誘電性を示すかを特定すること。
• 複雑な固体溶液を経由せずに、lead-free 強誘電体材料を設計する新しい道筋を確立すること。
• 圧力と温度が複雑酸化物の結晶構造をどのように制御するかを明らかにすること。

提案手法

• 純粋な Eu2Ti2O7 を高温高圧合成することで、ペロブスカイトに類似した層状（PL）構造への相転移を誘発すること。
• 圧力および温度下での構造的進化を特徴付けるために、in situ X線回折およびリエーティルド解析を実施すること。
• 圧力を回復させた後の焼鈍処理を実施し、相転移の可逆性および構造的安定性を検証すること。
• 高圧で形成された PL 相の強誘電的挙動を確認するための分極ヒステリシス測定を実施すること。
• 純粋な Eu2Ti2O7 と PL-ペロブスカイト固体溶液の結晶構造を比較し、共通する構造的起源を同定すること。
• 熱力学的および結晶学的解析を用いて、高圧下における PL 相の安定性を説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋な Eu2Ti2O7 が高圧・高温条件下でペロブスカイトに類似した層状構造への相転移を引き起こす要因は何か？
• RQ2 固体溶液中に観察されたペロブスカイトに類似した層状構造が、高圧合成によって純粋なペロブスカイト化合物に直接安定化可能か？
• RQ3 Eu2Ti2O7 における高圧で形成された PL 相が、常圧条件にまで圧力を回復させた後も構造的および強誘電的性質を維持するか？
• RQ4 固体溶液における相転移機構と比較して、本研究の高圧相転移機構はどのように異なるのか。これにより PL 構造の起源はどのような情報を明らかにするか？
• RQ5 本高圧経路が、新規な lead-free 強誘電体材料の開発に実用的であると見なせるか？

主な発見

• 純粋な Eu2Ti2O7 は、高温高圧条件（10 GPa、1200 °C）下で、ペロブスカイトに類似した層状（PL）構造への可逆的相転移を示す。
• 高圧で形成された Eu2Ti2O7 の PL 相は、圧力を回復させた後も安定しており、結晶構造を維持する。
• Eu2Ti2O7 の PL 相は明確な強誘電的ヒステリシスループを示し、本構造における最初の実験的確認された lead-free 強誘電体であることが確認された。
• 固体溶液における PL 相の構造的起源は、純粋なペロブスカイトの高圧安定化に起因するものであり、内在的な固体溶液効果とは無関係である。
• 相転移は可逆的である：高圧で形成された PL 相を加熱することで、再びペロブスカイト構造に戻る。
• 本研究は、複雑な固体溶液を回避する高圧処理による機能酸化物へのアクセスの新たな合成経路を確立した。