[論文レビュー] Surface and finite size effects impact of the phase diagrams, polar and dielectric properties of (Sr,Bi)Ta2O9 ferroelectric nanoparticles

E. A. Eliseev, А. В. Семченко+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2016

Elasticity and Wave Propagation被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、表面効果および有限サイズ効果が (Sr,Bi)Ta2O9 領道性ナノ粒子の相図、分極および誘電特性に与える影響を、電気的および熱力学的 Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD) モデルを用いて調査した。その結果、臨界サイズ、相転移温度、自発分極および臨界電場は、粒子サイズと表面スクリーニング長の比に強く依存しており、Sr/Bi化学计量比が 0.5 から逸脱する際のフレクソケミカル効果によって顕著に変調されることが明らかになった。

ABSTRACT

In the framework of the thermodynamic approach Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD) combined with the equations of electrostatics, we investigated the effect of polarization surface screening on finite size effects of the phase diagrams, polar and dielectric properties of ferroelectric nanoparticles of different shapes. We obtained and analyzed the analytical results for the dependences of the ferroelectric phase transition temperature, critical size, spontaneous polarization and thermodynamic coercive field on the shape and size of nanoparticles. The pronounced size effect of these characteristics on the scaling parameter, the ratio of the particle characteristic size to the length of the surface screening, was revealed. Also our modeling predicts a significant impact of the flexo-chemical effect (that is a joint action of flexoelectric effect and chemical pressure) on the temperature of phase transition, polar and dielectric properties of nanoparticles when their chemical composition deviates from the stoichiometric one. We showed on the example of the stoichiometric nanosized and fine SrBi2Ta2O9 particles that except the vicinity of the critical size, where the system splitting into domains has an important role, results of analytical calculation of the spontaneous polarization have little difference from the numerical ones. We revealed a strong impact of the flexo-chemical effect on the phase transition temperature, polar and dielectric properties of SryBi2+xTa2O9 nanoparticles when the ratio Sr/Bi deviates from the stoichiometric value of 0.5 from 0.35 to 0.65. From the analysis of experimental data we derived the parameters of the theory, namely coefficients of expansion of the LGD functional, contribution of flexo-chemical effect and the length of the surface screening.

研究の動機と目的

• 有限サイズおよび表面効果が (Sr,Bi)Ta2O9 ナノ粒子の相安定性および誘電特性に与える影響を理解すること。
• 表面スクリーニング長が臨界サイズおよび相転移温度を決定づける役割を定量化すること。
• 化学的非化学计量比（Sr/Bi比）がフレクソケミカル効果を通じて誘電挙動に与える影響を調査すること。
• 特に臨界サイズ付近において、解析的 LGD予測と数値シミュレーションの整合性を検証すること。
• 実験データから主要な材料パラメータ（LGD係数、フレクソケミカル寄与、スクリーニング長）を抽出すること。

提案手法

• 誘電秩序パラメータをモデル化するために熱力学的 Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD) 自由エネルギー汎関数を採用した。
• デポラリゼーション場および表面スクリーニング効果を考慮するため、Poisson方程式を用いて電気的効果を組み込んだ。
• 粒子サイズおよび形状を関数とする相転移温度、自発分極および臨界電場の解析的式を導出した。
• 粒子の特徴的サイズと表面スクリーニング長の比をスケーリングパラメータとして導入した。
• フレクソケミカル効果を、フレクソエレクトリシティ結合と Sr/Bi比の逸脱に起因する化学的圧縮の共同寄与としてモデル化した。
• 理論的予測を実験データにフィットさせ、スクリーニング長およびフレクソケミカル係数を含む材料固有のパラメータを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子サイズと表面スクリーニング長の比は、(Sr,Bi)Ta2O9 ナノ粒子における臨界サイズおよび相転移温度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 表面スクリーニングおよび有限サイズ効果は、自発分極および誘電応答をどの程度変化させるか？
• RQ3 化学的ストイキオメトリの 0.5 からの逸脱（例：0.35 から 0.65）は、フレクソケミカル効果を通じて相転移温度および分極にどのように影響を与えるか？
• RQ4 特に臨界サイズ付近において、解析的 LGD予測は数値シミュレーションとどの程度の精度で一致するか？
• RQ5 実験的に導かれた (Sr,Bi)Ta2O9 ナノ粒子における LGD汎関数係数および表面スクリーニング長の値は何か？

主な発見

• 誘電性の臨界サイズは、表面スクリーニング長に反比例し、サイズ対スクリーニング長比に顕著に依存する。
• デポラリゼーション場および表面スクリーニングのため、粒子サイズが小さくなると自発分極が顕著に減少するが、臨界サイズ付近を除き、解析的結果と数値シミュレーションの結果はよく一致する。
• Sr/Bi比が化学的ストイキオメトリの 0.5 から逸脱することで、強いフレクソケミカル効果が発現し、相転移温度がシフトし、分極および誘電特性が変化する。
• フレクソケミカル効果は定量的に顕著であり、ストイキオメトリから中程度の逸脱に対しても、相転移温度および分極に測定可能な変化が生じる。
• 実験データから抽出された表面スクリーニング長は、サイズ依存の誘電的安定性を支配する重要なパラメータであることが判明した。
• フレクソケミカル寄与を含めた理論的予測は、臨界電場および相転移温度に関して、実験的観測と良好に一致した。