[論文レビュー] Polarons, free charge localisation and effective dielectric permittivity in oxides

Mario Maglione|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2010

Dielectric properties of ceramics参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

本論文は酸化物におけるポラロン形成および自由電荷の局在化を調査し、それが巨大な有効誘電率に関連することを示している。両者—不純物における局在的ポラロンと、特にペロブスカイトや反強誘電体でない酸化物におけるマクロな界面での空間電荷効果—が、異常に高い誘電応答を引き起こすことが示された。ヘリウム温度におけるSrTiO3の量子ポラロン状態は、その背後にあるメカニズムを理解するための重要な手がかりを提供している。

ABSTRACT

This review will deal with several types of free charge localisation in oxides and their consequences on the effective dielectric spectra of such materials. The first one is the polaronic localisation at the unit cell scale on residual impurities in ferroelectric networks. The second one is the collective localisation of free charge at macroscopic interfaces like surfaces, electrodes and grain boundaries in ceramics. Polarons have been observed in many oxide perovskites mostly when cations having several stable electronic configurations are present. In manganites, the density of such polarons is so high as to drive a net lattice of interacting polarons. On the other hand, in ferroelectric materials like BaTiO3 and LiNbO3, the density of polarons is usually very small but they can influence strongly the macroscopic conductivity. The contribution of such polarons to the dielectric spectra of ferroelectric materials is described. Even residual impurities as for example Iron can induce well defined anomalies at very low temperatures. This is mostly resulting from the interaction between localised polarons and the highly polarisable ferroelectric network in which they are embedded. The case of such residual polarons in SrTiO3 will be described in more details, emphasizing the quantum polaron state at liquid helium temperatures. Recently, several non-ferroelectric oxides have been shown to display giant effective dielectric permittivity. It is first shown that the frequency/temperature behaviour of such parameters is very similar in very different compounds (donor doped BaTiO3, CaCu3Ti4O12, LuFe2O4,Li doped NiO,...). This similarity calls for a common origin of the giant dielectric permittivity in these compounds. A space charge localisation at macroscopic interfaces can be the key for such extremely high dielectric permittivity.

研究の動機と目的

• ペロブスカイトや非ペロブスカイトを含む多様な酸化物における巨大な有効誘電率の起源を理解すること。
• 残留不純物に起因するユニットセルスケールのポラロニックな局在化が、マクロな誘電応答に与える影響を分析すること。
• 表面、結晶粒界、電極などのマクロな界面における集団的自由電荷局在を調査すること。
• 性質の異なる酸化物材料間で共通する周波数／温度依存性を示す誘電スペクトルの背後にある共通のメカニズムを特定すること。
• 液体ヘリウム温度におけるSrTiO3の量子ポラロン状態が、誘電異常を理解するためのモデルとして果たす役割を探索すること。

提案手法

• マンガン酸化物やBaTiO3、LiNbO3などの強誘電体を含む、バリエーションのあるカチオン酸化状態を示す酸化物の誘電スペクトルを分析する。
• 残留不純物（例：ペロブスカイト中のFe）が低温誘電異常をポラロン相互作用によってどのように影響するかを検討する。
• 理論的モデリングを用いて、ポラロン形成および格子歪みと有効誘電率との関連を強誘電体ネットワークに結びつける。
• ドーピングされたBaTiO3、CaCu3Ti4O12、LuFe2O4、LiドーピングされたNiOなどの多様な酸化物の誘電挙動を比較し、共通のスケーリング傾向を同定する。
• 界面誘電分極の理論的枠組みと実験的誘電データを用いて、界面における空間電荷局在を調査する。
• 液体ヘリウム温度におけるSrTiO3の量子ポラロン状態に注目し、電子-格子振動結合が誘電応答に与える影響を理解すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユニットセルスケールでのポラロニックな局在化が、酸化物の有効誘電率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 鉄などの残留不純物は、BaTiO3などの強誘電体酸化物における誘電異常をどのように引き起こすか？
• RQ3 非強誘電体を含む多様な酸化物が、なぜ周波数および温度依存性が類似した誘電スペクトルを示すのか？
• RQ4 マクロな界面（例：結晶粒界、電極）における空間電荷局在が、特定の酸化物における観察された巨大有効誘電率を説明できるか？
• RQ5 液体ヘリウム温度におけるSrTiO3の量子ポラロン状態が誘電応答に与える意義は何か？

主な発見

• BaTiO3 や LiNbO3 などの強誘電体酸化物における残留不純物に起因するポラロンは、極めて低い濃度でも測定可能な誘電異常を誘発する。
• マンガン酸化物では、高密度のポラロンが相互作用する格子を形成し、誘電応答が顕著に変化する。
• ドーピングされたBaTiO3、CaCu3Ti4O12、LuFe2O4、LiドーピングされたNiO などの多様な酸化物の誘電スペクトルは、顕著に類似した周波数／温度依存性を示す。
• マクロな界面（例：結晶粒界、電極）における空間電荷局在が、巨大有効誘電率の主要なメカニズムであると特定された。
• 4.2 K におけるSrTiO3の量子ポラロン状態は、明確なポラロン的寄与が誘電応答に現れることを示し、電子-格子振動結合効果の重要性を強調している。
• 局在的ポラロンと高い誘電率を示す強誘電体格子との相互作用が、ポラロン密度が極めて低い場合でさえも、誘電応答を顕著に増幅することが分かった。