[论文解读] Dynamic behavior of polar nanoregions in re-entrant relaxor 0.6Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.4PbTiO3

Kaiyuan Chen, Zhang, Qi+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2020

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用 4

一句话总结

本研究利用介电谱学和电学模量分析，研究了反常弛豫体0.6Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.4PbTiO3中极性纳米区（PNRs）的动力学行为。研究识别出两种不同的PNR状态，分别对应低温反常弛豫转变和高温弥散相变，揭示了与PNR形成、冻结及相变相关的三个临界温度，且铋的化学计量比在调控PNR动力学中起关键作用。

ABSTRACT

The existence of polar nanoregions is the most important characteristic of ferroelectric relaxors, however, the size determination and dynamic of PNRs remains uncertain. We reveal a re-entrant relaxor behavior and ferroelectric-paraelectric transition coexists in complex perovskite oxide 0.6Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.4PbTiO3. Two dielectric anomalies (i) the low-temperature re-entrant relaxor transition and (ii) the high-temperature diffuse phase transition (DPT) were described by the phenomenological statistical model. The sizes of the two kinds of polar nanoregions (PNRs) corresponding to two ferroelectric states were obtained. The dynamic of PNRs were analyzed using isothermal electrical modulus, which shows three critical temperatures associated with the diffuse phase transition, the formation and freezing of PNRs, respectively. The temperature evolution of the PNRs evolution depends on the stoichiometry of bismuth. The results provide new insights into the dynamic behavior of PNRs and the modification way of re-entrant relaxor behavior.

研究动机与目标

• 理解复杂钙钛矿弛豫体中极性纳米区（PNRs）的动力学行为，特别是0.6Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.4PbTiO3中的行为。
• 解决在反常弛豫体系统中PNR尺寸测定与动态演化过程中的不确定性。
• 研究复杂氧化物中反常弛豫行为与铁电-顺电相变共存的机制。
• 确定铋化学计量比在调控PNR形成与冻结动力学中的作用。

提出的方法

• 采用介电谱学检测到两个显著的介电异常：低温反常弛豫转变和高温弥散相变（DPT）。
• 应用现象学统计模型描述两个介电异常，并提取与每种铁电态对应的PNR尺寸。
• 采用等温电学模量谱学分析PNR的动力学过程，识别特征弛豫时间及临界温度。
• 将PNR的温度依赖性演化与铋含量关联，评估其对PNR形成与冻结的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 反常弛豫体0.6Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.4PbTiO3中极性纳米区（PNRs）的动力学特性是什么？
• RQ2 低温反常弛豫态与高温弥散相变态中，PNR的尺寸与演化过程有何差异？
• RQ3 该体系中与PNR形成、冻结及相变相关的临界温度有哪些？
• RQ4 铋化学计量比如何影响该复杂钙钛矿氧化物中PNR的动力学行为？

主要发现

• 识别出两种不同的PNR状态，分别对应于低温反常弛豫转变和高温弥散相变（DPT）。
• 通过将现象学统计模型应用于介电数据，定量测定了两种PNR的尺寸。
• 通过等温电学模量分析确定了三个临界温度：一个与弥散相变相关，一个与PNR形成相关，一个与PNR冻结相关。
• PNR的温度演化行为强烈依赖于材料中铋的化学计量比。
• 在0.6Bi(Mg1/2Ti1/2)O3-0.4PbTiO3中，反常弛豫行为与铁电-顺电相变的共存现象得到证实。
• 研究结果为通过成分调控，特别是铋含量，实现对PNR动力学的调控提供了新见解。