[论文解读] Direct observation of the formation of polar nanoregions in Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3}$)O$_3$ using neutron pair distribution function analysis

Il‐Kyoung Jeong, T. W. Darling+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2004

X-ray Diffraction in Crystallography被引用 8

一句话总结

本研究利用中子对分布函数（PDF）分析，在1000 K至15 K的温度范围内直接观测到Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃（PMN）中极性纳米区（PNRs）的形成。结果表明，随着温度降低，PNRs的体积分数从0%增至约30%，在约200 K以下达到渗流阈值，此时它们开始相互重叠，提供了直接的结构证据，表明渗流的PNRs是PMN中弛豫铁电行为的核心。

ABSTRACT

Using neutron pair distribution function (PDF) analysis over the temperature range from 1000 K to 15 K, we demonstrate the existence of local polarization and the formation of medium-range, polar nanoregions (PNRs) with local rhombohedral order in a prototypical relaxor ferroelectric Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3}$)O$_3$. We estimate the volume fraction of the PNRs as a function of temperature and show that this fraction steadily increases from 0 % to a maximum of $\sim$ 30% as the temperature decreases from 650 K to 15 K. Below T$\sim$200 K the PNRs start to overlap as their volume fraction reaches the percolation threshold. We propose that percolating PNRs and their concomitant overlap play a significant role in the relaxor behavior of Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3}$)O$_3$.

研究动机与目标

• 利用中子PDF分析在宽温度范围内直接观测Pb(Mg₁/₃Nb₂/₃)O₃（PMN）中的局部和中程结构相关性。
• 确定在Burns温度以下，具有菱方对称性的极性纳米区（PNRs）是否存在及其演化过程。
• 量化PNRs的体积分数随温度的变化，并评估其在弛豫行为中的作用。
• 研究PNRs之间渗流的起始及其与介电和结构异常的相关性。

提出的方法

• 在LANSCE设施的NPDF仪器上进行中子PDF测量，温度范围从1000 K降至15 K。
• 从原始衍射数据中提取总散射结构函数S(Q)，并校正背景、吸收和多次散射，使用金属钒标准进行归一化。
• 通过Q[S(Q) - 1]的傅里叶变换获得PDF G(r)，从而获得短程、中程和长程结构相关性。
• 构建两相模型PDF：Gₘ = α(T)G_R + (1 - α(T))G_C，其中G_R和G_C分别为菱方相和立方相的模型PDF。
• 通过在每个温度下使用反向蒙特卡洛（RMC）方法拟合模型PDF与实验数据，对菱方相（PNR）的体积分数α(T)进行精修。
• 为确保温度依赖性PDF建模的准确性，一致地将Bonneau等人（1991年）的热参数应用于立方相和菱方相模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Burns温度以下，PMN中是否形成具有局部菱方有序的极性纳米区（PNRs），其随温度如何演化？
• RQ2 PMN中PNRs的体积分数如何随温度变化，是否达到渗流阈值？
• RQ3 PNRs的结构特征如何与PMN中宏观介电异常相关？
• RQ4 在约200 K以下是否存在PNRs重叠和渗流的证据，其与相关长度增加的观测有何关联？

主要发现

• PMN中极性纳米区（PNRs）的体积分数从650 K时的0%稳步增加至15 K时的最大值约30%。
• 在约200 K以下，PNRs达到三维渗流阈值（P_c ~ 28%），表明纳米区之间开始发生重叠和连通。
• 随着温度降低，局部极化的关联长度从约15 Å增至约60 Å，与约200 K时PNRs渗流的起始相一致。
• 实验PDF清晰显示出与菱方模型匹配的中程结构相关性，证实了具有局部菱方对称性的有序PNRs的存在。
• 两相模型PDF与实验数据在所有温度下均具有良好吻合，验证了PNRs体积分数的定量估算。
• 研究结果提供了直接的局部结构证据，表明渗流的PNRs是PMN弛豫铁电行为（包括介电色散和电场诱导相变）的核心。