[论文解读] Reentrant phase in nanoferroics induced by the flexoelectric and Vegard effects

Anna N. Morozovska, M. D. Glinchuk|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2015

Nonlocal and gradient elasticity in micro/nano structures参考文献 2被引用 9

一句话总结

本文采用朗道-金兹堡-德文希爾（Landau-Ginzburg-Devonshire）方法，解释了球形 BaTiO3 纳米颗粒（5–50 nm）中的反常铁电相变。研究发现，弯曲电致伸缩耦合与维加德效应（化学压力）的协同作用，稳定了减小尺寸下的铁电相——这与预期的尺寸诱导顺电相变相反。关键结果表明，减小颗粒尺寸可同时提高相变温度与极化强度，从而解释了实验中此前无法解释的反常行为。

ABSTRACT

We explore the impact of the flexoelectric effect and Vegard effect (chemical pressure) on the phase diagrams, long-range polar order and related physical properties of the spherical ferroelectric nanoparticles using Landau-Ginzburg-Devonshire phenomenological approach. The synergy of these effects can lead to the remarkable changes of the nanoparticles' phase diagrams. In particular, a commonly expected transition from ferroelectric to paraelectric phase at some small critical size is absent; so that the critical size loses its sense. Contrary, the stabilization of the ferroelectric phase manifests itself by the enhancement of the transition temperature and polarization with the particle size decrease. Ferroelectric phase reentrant phenomenon was observed earlier in the tetragonal BaTiO3 nanospheres of radii 5-50 nm [Zhu et al., JAP 112, 064110 (2012)] and stayed unexplained up to now. Our calculations have shown the physical mechanism of the exciting phenomenon is the flexo-chemo-effect. Since the spontaneous flexoelectric coupling, as well as ion vacancies, should exist in any nanostructured ferroelectrics, obtained analytical results can be valid for many nanoferroelectrics, where reentrant phases appearance can be forecasted.

研究动机与目标

• 理解BaTiO3纳米颗粒中反常铁电相变的起源，该现象违背了传统的尺寸缩放预测。
• 研究弯曲电致伸缩耦合与化学压力（维加德效应）在球形铁电纳米颗粒中对相稳定性的联合影响。
• 构建一个现象学模型，以解释在小尺寸下预期的铁电-顺电相变为何缺失。
• 预测在其他纳米铁电体中可观测到反常行为的条件。

提出的方法

• 采用朗道-金兹堡-德文希爾（LGD）现象学框架，建立球形铁电纳米颗粒的自由能模型。
• 在自由能展开中引入自发弯曲电致伸缩耦合作为尺寸依赖项。
• 通过维加德效应建模组分梯度引起的晶格应变，以表征化学压力。
• 求解所得自由能最小化问题，以确定稳定相与相变温度。
• 结合解析与数值方法，计算极化强度、相变温度及相图随颗粒半径与组分的变化关系。
• 将结果与Zhu等人（JAP 112, 064110, 2012）关于BaTiO3纳米球的实验数据进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何铁电相在BaTiO3纳米颗粒中持续存在于传统临界尺寸以下，与理论预期相反？
• RQ2 弯曲电致伸缩耦合与维加德效应如何协同作用，以稳定纳米尺度系统中的铁电相？
• RQ3 自发极化与应变在球形单元中诱导反常相变行为中起何作用？
• RQ4 观测到的尺寸依赖性相变温度与极化强度增强，能否由统一的现象学模型加以解释？

主要发现

• 由于弯曲电致伸缩耦合与维加德效应的共同作用，传统预期的小尺寸下铁电-顺电相变并未出现。
• 相变温度（Tc）随颗粒半径减小而升高，与通常的抑制趋势相反。
• 随着颗粒尺寸减小，自发极化强度增强，这是由压电-化学效应协同稳定作用所致。
• BaTiO3纳米球（5–50 nm）中观测到的反常相变行为，可归因于弯曲电致伸缩耦合与化学压力的协同效应。
• 该模型预测，此类反常行为可推广至其他具有类似本征应变与极化梯度的纳米铁电体。