[论文解读] Is hexagonal InMnO3 ferroelectric?

Fei Huang, X. Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2013

Multiferroics and related materialsMaterials Science被引用 21

一句话总结

本研究通过先进的电子显微镜技术和极化测量，解决了关于菱形 InMnO3 长期存在的争议，证明其基态为具有 P6₃cm 对称性的铁电相，表现出拓扑旋涡畴。高温相为非铁电的 P̄3c1 相，可通过淬火方式保留在室温，其相变因能垒而缓慢，表现出动力学迟滞特性。

ABSTRACT

The presence of ferroelectricity in hexagonal (h-)InMnO3 has been highly under debate. The results of our comprehensive experiments of low-temperature (T) polarization, TEM and HAADF-STEM on well-controlled h-InMnO3 reveal that the ground state is ferroelectric with P6_3cm symmetry, but a non-ferroelectric P-3c1 state exists at high T, and can be quenched to room T. We also found that the ferroelectric P6_3cm state of h-InMnO3 exhibits the domain configuration of topological vortices, as has been observed in h-REMnO3 (RE=rare earths).

研究动机与目标

• 解决长期以来关于菱形 InMnO3 是否为铁电体的争议。
• 利用严格控制的单相样品，确定 InMnO3 的真实晶体学基态。
• 研究 InMnO3 在不同热历史条件下的结构与铁电相变行为。
• 确定原子位移与对称性破缺在驱动 InMnO3 中非正当铁电性中的作用。
• 阐明非铁电 P̄3c1 相的本质及其与铁电基态的关系。

提出的方法

• 进行低温极化测量以检测铁电滞回线。
• 采用暗场透射电子显微镜（DF-TEM）成像畴结构并探测反演对称性破缺。
• 采用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM），以原子分辨率可视化 In 和 Mn 离子位移。
• 对经不同热处理（缓慢冷却、炉冷、淬火）制备的多晶和单晶 InMnO3 样品进行结构分析。
• 应用弗里德尔定律分析，通过衍射强度异常区分非中心对称（铁电）与中心对称（非铁电）相。
• 利用 STEM-EDX 确认元素分配，并验证 HAADF-STEM 图像中原子柱的位置。

实验结果

研究问题

• RQ1 菱形 InMnO3 是否为铁电体，其真实基态晶体对称性是什么？
• RQ2 关于 InMnO3 铁电性的相互矛盾报告的根源是什么，样品制备条件如何影响观测相？
• RQ3 非铁电 P̄3c1 相是否代表一种可被动力学捕获在室温的稳定高温相？
• RQ4 InMnO3 的铁电相中是否存在类似于 h-REMnO3 中的拓扑旋涡畴？
• RQ5 P̄3c1 与 P6₃cm 相之间的相变本质是什么，为何其过程异常缓慢？

主要发现

• InMnO3 的基态为具有 P6₃cm 对称性的铁电相，100 K 下 P(E) 滞回线中饱和极化值得到证实。
• 在铁电相中观察到拓扑旋涡畴，与 h-REMnO3 中的现象类似，表明存在复杂的铁电有序。
• 高温下存在具有“下-无-上”In 离子畸变的非铁电 P̄3c1 相，可通过淬火保留在室温。
• 在炉冷样品中，纳米尺度的 PUA（部分未畸变反铁电）岛以“下-无-上”In 结构嵌入铁电基体中。
• HAADF-STEM 成像证实了“上-上-下”构型中 In 离子的非中心位移，而 Mn 离子保持居中，验证了铁电畸变机制。
• 从高温 P̄3c1 相到低温 P6₃cm 相的转变过程缓慢且受动力学阻碍，解释了部分样品中非铁电相的持久存在。