[论文解读] Raman spectroscopic investigation of relaxor behavior in Pr doped SrTiO3 and Origin of Fano resonance

Vivek Dwij, Binoy Krishna De+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2018

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 19被引用 5

一句话总结

本研究利用拉曼光谱研究Pr共掺杂SrTiO3的弛豫行为，发现极性模式可维持至约1000 K，并在505 K时发展出短程关联，表明极性纳米区（PNRs）的形成。随着Pr共掺杂浓度增加，观测到的Fano共振减弱，局部TiO6八面体倾斜被确定为关键序参量，将晶格畸变与由随机极化率不稳定性驱动、且在局域尺度上具有协同晶格-极性耦合的弛豫相变联系起来。

ABSTRACT

Detailed Raman spectroscopy studies on polycrystalline Sr1-xPrxTiO3 (x=0.01, 0.025, 0.05, 0.075, 0.09, 0.13, 0.15, 0.17) samples are reported elucidating the microscopic mechanism of relaxor ferroelectrics. The polar mode was observed upto very high temperature ~1000 K suggesting that the dipoles exists at temperatures well above the characteristic relaxor temperatures and they develop a short range correlation at 505 K leading to formation of PNRs. The TO2 polar mode showed anomalous softening in cooling below T~505 K supporting the growth of PNRs. Fano resonance is reported in the Pr doped compounds which decreases with increasing doping. Our work on Pr doped SrTiO3 reveals that the local TiO6 octahedral tilt scales with the intensity of the polar mode and hence can be used as an order parameter for relaxor transition. The study showed that the paraelectric to relaxor ferroelectric phase transition in this compound is random polarizability instability driven phenomenon which is correlated with the local octahedral tilt angle. The study supports competition and cancelation between lattice and polar instabilities at global length scale while cooperation between the two at local length scale. The modulation in local structure of the material in temperature interval related to dielectric anomaly has been observed which is not been investigated previously by any structural tool.

研究动机与目标

• 理解Pr共掺杂SrTiO3中弛豫铁电行为的微观起源。
• 研究局域结构畸变（特别是TiO6八面体倾斜）在驱动弛豫相变中的作用。
• 阐明顺电相到弛豫相转变的本质，特别是晶格与极性不稳定性之间的相互作用。
• 研究Pr共掺杂SrTiO3拉曼光谱中Fano共振的起源及其随共掺杂浓度的演化。
• 将介电异常与以往常规结构分析手段无法探测到的局域结构调制相关联。

提出的方法

• 在宽温度范围内对不同Pr共掺杂浓度（x = 0.01 至 0.17）的多晶Sr1-xPrxTiO3样品进行了拉曼光谱测量。
• 通过分析温度依赖的拉曼光谱，追踪极性模式（特别是TO2模）的演化及其软化行为。
• 从拉曼光谱中提取并量化Fano共振轮廓，以研究其与Pr共掺杂浓度的关系。
• 将局域结构畸变（包括TiO6八面体倾斜）与极性模式的强度和行为相关联。
• 在全局与局域长度尺度上分析晶格与极性不稳定性之间的竞争与协同作用。
• 利用拉曼数据检查与介电异常相关的温度区间中是否存在结构调制。

实验结果

研究问题

• RQ1 局域TiO6八面体倾斜在Pr共掺杂SrTiO3的弛豫相变中起什么作用？
• RQ2 极性模式行为如何随温度和Pr共掺杂浓度演化，其揭示了极性纳米区（PNRs）形成的何种信息？
• RQ3 观测到的Pr共掺杂SrTiO3中Fano共振的起源是什么，其随共掺杂浓度如何变化？
• RQ4 该体系中晶格与极性不稳定性在不同长度尺度上如何相互作用？
• RQ5 能否探测到与介电异常相关的局域结构调制，并将其与拉曼活性模相关联？

主要发现

• Pr共掺杂SrTiO3中的极性模式可维持至约1000 K，表明在典型弛豫相变温度以上仍存在稳定的偶极子形成。
• 在约505 K以下观察到TO2极性模式的显著软化，表明短程极性关联开始形成，标志着极性纳米区（PNRs）的生成。
• 拉曼光谱中观测到Fano共振，且其强度随Pr共掺杂浓度增加而减弱，表明其具有共掺杂依赖的电子或晶格起源。
• 局域TiO6八面体倾斜角与极性模式强度呈线性关系，确立其作为弛豫相变的可行序参量。
• 顺电相到弛豫相转变由随机极化率不稳定性驱动，尽管在全局尺度上存在竞争，但在局域尺度上表现出协同晶格-极性耦合。
• 首次利用拉曼光谱探测到局域环境中（特别是介电异常温度区间附近）的结构调制，揭示了此前未被观测到的局域畸变。