[论文解读] Morphotropic interfaces in PMN-PT single crystals

I. Rafalovskyi, Maël Guennou+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2013

Solid-state spectroscopy and crystallography被引用 7

一句话总结

本研究在场冷至居里温度附近后进行零场加热过程中，揭示了PMN-0.32PT单晶中四方相类似与菱方相类似相之间宏观平面型的形态突变界面的形成。通过光学显微镜与偏振拉曼光谱分析，作者识别出这些界面为仅在T_RT ≈ 360 K附近出现的稳定、毫米尺度相界，揭示了一种此前未被观察到的宏观相共存现象，对理解形态突变相界材料中增强的压电性能具有关键意义。

ABSTRACT

The paper describes heterostructures spontaneously formed in PMN-PT single crystals cooled under bias electric field applied along [001]pc and then zero-field-heated in the vicinity of the so-called depoling temperature. In particular, formation of lamellar structures composed of tetragonal-like and rhombohedral-like layers extending over macroscopic (mm) lengths is demonstrated by optical observations and polarized Raman investigations.

研究动机与目标

• 研究场冷后在零场加热过程中PMN-0.32PT单晶的结构与相变演化。
• 确定在居里温度T_RT附近光学图像中观察到的宏观条纹状对比度的成因。
• 利用空间分辨偏振拉曼光谱确认交替出现的明暗条纹的相身份。
• 探讨宏观相界面在形态突变相界（MPB）材料中畴工程与功能特性方面的意义。
• 建立一种在PMN-PT单晶中稳定宏观形态突变界面的实验协议，以供未来研究使用。

提出的方法

• 以5 K/min的速率在[001]pc方向施加300 V/mm电场，将厚度为0.5 mm的PMN-0.32PT单晶场冷至470 K。
• 以5 K/min的速率进行零场加热至360 K，期间观察到宏观条纹图案的形成。
• 利用原位光学显微镜观察到与样品边缘呈约45°角的平行条纹，条纹厚度为10–100 μm。
• 使用Renishaw RM 1000光谱仪，在Linkam TS 1200高温样品池中，以514.5 nm激光对(001)pc晶面进行偏振拉曼光谱测量。
• 在拉曼测量过程中同时控制温度与电场，并通过改变入射光偏振角来探测各向异性的光学响应。
• 通过比较明条纹与暗条纹的拉曼强度比，以区分四方相类似与菱方相类似相。

实验结果

研究问题

• RQ1 在接近T_RT的零场加热过程中，PMN-0.32PT单晶中宏观平行条纹的形成原因是什么？
• RQ2 观察到的明暗条纹是否与不同的铁电相相关？若相关，具体是哪些相？
• RQ3 偏振拉曼光谱能否有效区分这些条纹中四方相类似与菱方相类似相？
• RQ4 界面的几何特征（如楔形结构、取向）如何与潜在的相变行为及应变相容性相关联？
• RQ5 场冷后进行零场加热的这一实验流程是否可用于稳定宏观形态突变相界，以实现材料工程应用？

主要发现

• 在PMN-0.32PT单晶中，仅在接近去极化温度T_RT ≈ 360 K的零场加热过程中，形成宏观平面型的四方相类似与菱方相类似相之间的界面。
• 观察到的条纹厚度为10–100 μm，与样品边缘呈约45°角，其并非铁弹性畴，而是由形态突变界面分隔的共存相。
• 偏振拉曼光谱证实，暗条纹对应于菱方相类似（可能为单斜相）相，而亮条纹对应于四方相类似相。
• 两相中拉曼强度的角依赖性与不同的对称性及自发极化方向一致，支持相的归属判断。
• 界面呈现楔形形貌，表明相界处应变最小化，类似于孪晶界。
• 这种宏观相共存仅在场冷后经零场加热后被稳定，表明存在一种热力学路径可用于在MPB材料中工程化设计相界面。