[论文解读] Diffuse scattering from the lead-based relaxor ferroelectric PbMg_1/3Ta_2/3O_3

Antonio Cervellino, S. N. Gvasaliya+7 more|ArXiv.org|Aug 20, 2009

X-ray Diffraction in Crystallography参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究利用单晶中子衍射和同步辐射X射线衍射，表明PbMg₁/₃Ta₂/₃O₃中的极性纳米区（PNRs）源于沿<111>方向的静态Pb²⁺位移，其相关长度在<111>和<11¯0>方向上最长，在<11¯2>方向上最短。该模型成功再现了(H00)平面中特征性的蝴蝶形漫散射以及沿<112>方向的条纹，证实了PNRs具有类似薄煎饼的几何形状，且其尺寸和位移方向具有各向异性。

ABSTRACT

The relaxor ferroelectric PbMg_1/3Ta_2/3O_3 was studied by single-crystal neutron and synchrotron x-ray diffraction and its detailed atomic structure has been modeled in terms of static Pb-displacements that lead to the formation of polar nanoregions. Similar to the other members of the Pb-based relaxor family like PbMg_1/3Nb_2/3O_3 or PbZn_1/3Nb_2/3O_3 the diffuse scattering in the [H,0,0]/[0,K,0] scattering plane has a butterfly-shape around the (h,0,0) Bragg reflections and is transverse to the scattering vector for (h,h,0) peaks. In the [H,H,0]/[0,0,L] plane the diffuse scattering is elongated along the &lt;1,1,2&gt; directions and is transverse to the scattering vector for (h,h,h) reflections. We find that a model consisting of correlated Pb-displacements along the &lt;1,1,1&gt;-directions reproduces the main features of the diffuse scattering in PbMg_1/3Ta_2/3O_3 adequately when the correlation lengths between the Pb-ion displacement vectors are longest along the &lt;1,1,1&gt; and &lt;1,-1,0&gt; and shortest along &lt;1,1,-2&gt; directions.

研究动机与目标

• 确定弛豫铁电体PbMg₁/₃Ta₂/₃O₃中漫散射的原子起源。
• 确定产生极性纳米区（PNRs）的Pb²⁺位移方向及其相关长度。
• 检验仅基于Pb位移的模型是否能再现观测到的漫散射图案。
• 阐明PNRs的几何各向异性及其与倒空间中观测到的漫散射强度分布的关系。

提出的方法

• 采用单晶中子衍射和同步辐射X射线衍射测量倒空间中的漫散射强度。
• 应用Patterson分析以检测低温下Pb位点处双阱势能的发展。
• 构建一个基于特定<111>和<11¯0>方向上相关Pb²⁺位移的结构模型，并与实验数据进行对比。
• 利用沿向量w₁ = 1/√2[1,-1,0]、w₂ = 1/√3[1,1,1]和w₃ = 1/√6[1,1,-2]的原子位移模型计算漫散射强度，并为每个方向分配相关长度。
• 通过将计算得到的漫散射图与实验数据在(H00)、(HH0)和(HHH)衍射平面中的对比，对模型进行优化。
• 分析漫散射强度的温度依赖性，以推断Pb位移的演化及PNR的形成过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么方向的Pb²⁺位移导致了PbMg₁/₃Ta₂/₃O₃中的漫散射？
• RQ2 Pb位移的相关长度在该材料的不同晶向中如何变化？
• RQ3 为什么漫散射在(H00)平面中呈现蝴蝶形，而在(HH0)平面中沿<112>方向形成条纹？
• RQ4 仅基于Pb²⁺位移的模型能否解释观测到的漫散射图案？
• RQ5 PbMg₁/₃Ta₂/₃O₃中极性纳米区（PNRs）的几何形状和尺寸是什么？

主要发现

• 在(H00)平面中，漫散射呈现蝴蝶形，而在(HH0)平面中形成垂直于散射矢量的条纹，与具有各向异性相关长度的PNRs一致。
• Pb²⁺离子主要沿<111>方向位移，低温下位移振幅约为0.3 Å。
• Pb位移的相关长度在<111>和<11¯0>方向上最长（L₁ ≈ 50 Å，L₂ ≈ 30 Å），在<11¯2>方向上最短（L₃ ≈ 4 Å），表明为类似薄煎饼的PNRs。
• 基于沿<111>方向Pb位移的模型与实验漫散射图案的拟合最佳，而其他位移方向无法再现布喇格峰周围强度翼部的特征。
• 观测到的某些漫散射条纹的消失与模型导出的结构因子形式一致，支持Pb位点存在双阱势能。
• 分析结果确认Pb位移是漫散射的主要来源，尽管B位点和O位点的位移可能起次要作用，但本研究未完全解析其影响。