[论文解读] Surface and finite size effects impact of the phase diagrams, polar and dielectric properties of (Sr,Bi)Ta2O9 ferroelectric nanoparticles

E. A. Eliseev, А. В. Семченко+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2016

Elasticity and Wave Propagation被引用 6

一句话总结

本研究采用与静电学耦合的朗道-金兹堡-德文希尔斯（LGD）热力学模型，研究了(Sr,Bi)Ta2O9铁电纳米颗粒的表面效应和有限尺寸效应对相图、极化及介电性质的影响。研究发现，临界尺寸、相变温度、自发极化和矫顽场强强烈依赖于颗粒尺寸与表面屏蔽长度之比，当Sr/Bi化学计量比偏离0.5时，柔性化学效应产生显著调制作用。

ABSTRACT

In the framework of the thermodynamic approach Landau-Ginzburg-Devonshire (LGD) combined with the equations of electrostatics, we investigated the effect of polarization surface screening on finite size effects of the phase diagrams, polar and dielectric properties of ferroelectric nanoparticles of different shapes. We obtained and analyzed the analytical results for the dependences of the ferroelectric phase transition temperature, critical size, spontaneous polarization and thermodynamic coercive field on the shape and size of nanoparticles. The pronounced size effect of these characteristics on the scaling parameter, the ratio of the particle characteristic size to the length of the surface screening, was revealed. Also our modeling predicts a significant impact of the flexo-chemical effect (that is a joint action of flexoelectric effect and chemical pressure) on the temperature of phase transition, polar and dielectric properties of nanoparticles when their chemical composition deviates from the stoichiometric one. We showed on the example of the stoichiometric nanosized and fine SrBi2Ta2O9 particles that except the vicinity of the critical size, where the system splitting into domains has an important role, results of analytical calculation of the spontaneous polarization have little difference from the numerical ones. We revealed a strong impact of the flexo-chemical effect on the phase transition temperature, polar and dielectric properties of SryBi2+xTa2O9 nanoparticles when the ratio Sr/Bi deviates from the stoichiometric value of 0.5 from 0.35 to 0.65. From the analysis of experimental data we derived the parameters of the theory, namely coefficients of expansion of the LGD functional, contribution of flexo-chemical effect and the length of the surface screening.

研究动机与目标

• 理解有限尺寸和表面效应对(Sr,Bi)Ta2O9纳米颗粒相稳定性和铁电性质的影响。
• 量化表面屏蔽长度在确定临界尺寸和相变温度中的作用。
• 通过柔性化学效应研究化学非化学计量（Sr/Bi比）对铁电行为的影响。
• 将基于LGD的解析预测与数值模拟进行对比验证，特别是在临界尺寸附近。
• 从实验数据中提取关键材料参数（LGD系数、柔性化学贡献、屏蔽长度）。

提出的方法

• 采用热力学朗道-金兹堡-德文希尔斯（LGD）自由能泛函来模拟铁电序参量。
• 通过泊松方程引入静电学，以考虑去极化场和表面屏蔽效应。
• 推导出相变温度、自发极化和矫顽场强作为颗粒尺寸和形状的函数的解析表达式。
• 引入一个标度参数：颗粒特征尺寸与表面屏蔽长度之比。
• 将柔性化学效应建模为应变电致伸缩耦合与Sr/Bi比偏离引起的化学压力的联合贡献。
• 将理论预测与实验数据拟合，以提取包括屏蔽长度和柔性化学系数在内的材料特异性参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 颗粒尺寸与表面屏蔽长度之比如何影响(Sr,Bi)Ta2O9纳米颗粒的临界尺寸和相变温度？
• RQ2 表面屏蔽和有限尺寸效应在多大程度上改变了自发极化和介电响应？
• RQ3 Sr/Bi比偏离化学计量比0.5（例如从0.35到0.65）如何通过柔性化学效应影响相变温度和极化？
• RQ4 与数值模拟相比，解析LGD预测的准确性如何，特别是在临界尺寸附近？
• RQ5 从实验中获得的(Sr,Bi)Ta2O9纳米颗粒中LGD泛函系数和表面屏蔽长度的值是多少？

主要发现

• 在(Sr,Bi)Ta2O9纳米颗粒中，铁电性的临界尺寸与表面屏蔽长度成反比，且对尺寸与屏蔽长度之比表现出显著依赖性。
• 由于去极化场和表面屏蔽作用，自发极化随颗粒尺寸减小而显著降低，解析结果与数值模拟结果基本一致，仅在临界尺寸附近存在偏差。
• Sr/Bi比偏离化学计量比0.5（例如从0.35到0.65）会引发强烈的柔性化学效应，导致相变温度偏移，并改变极化和介电性质。
• 柔性化学效应具有显著的定量影响，即使在化学计量比的中等偏离下，相变温度和极化亦可发生可测量的变化。
• 从实验数据中提取出表面屏蔽长度，并发现其是调控尺寸依赖性铁电稳定性的关键参数。
• 当引入柔性化学贡献时，矫顽场强和相变温度的理论预测与实验观测结果具有良好一致性。