[论文解读] Synthesis and Characterization of Strontium Doped Barium Titanates using Neutron Diffraction Technique

Iftakhar Bin Elius, B. M. Asif+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2020

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 25被引用 8

一句话总结

本研究利用中子衍射和Rietveld精修方法研究了Sr掺杂对BaTiO3的影响，揭示了在x = 0.5之前，Ba1-xSrxTiO3中存在从四方相到立方相的相变。中子衍射确认了A位（Ba/Sr）和B位（Ti）阳离子位置，并提供了精确的结构参数，观察到的和计算出的衍射图谱之间具有极好的一致性。

ABSTRACT

In the present study, structural changes due to gradual doping of Sr in BaTiO3 were investigated by both x-ray and neutron powder diffraction techniques. Ba1-xSrxTiO3 (x=0.0, 0.5 and 1.0) samples were synthesized by PVA evaporation method and purity was confirmed by x-ray diffraction experiment. After that, neutron diffraction experiments were carried out and diffraction data were analyzed by Rietveld least-square data refinement method using the computer program RIETAN-2000 and FullProf to determine various crystallographic structural parameters. The cation and anion position coordinates were also determined from the data refinement method which confirmed that Ba and Sr atoms possess tetrahedral A site and Ti atoms possess octahedral B site for all three samples BaTiO3, Ba0.5Sr0.5TiO3, and SrTiO3, respectively. Moreover, the lattice parameter values indicate, Ba1-xSrxTiO3 structure undergoes a phase transition from tetragonal to cubic somewhere before x=0.5. The concurrences between observed and calculated profiles were excellent and well consistent with the previously reported values. Furthermore, MEM based analysis was done for charge density measurement.

研究动机与目标

• 利用中子衍射研究Sr掺杂BaTiO3固溶体的结构演化。
• 确定Ba1-xSrxTiO3（x = 0.0, 0.5, 1.0）中的晶体学参数以及阳离子/阴离子位点的占据情况。
• 识别随着Sr含量增加，从四方相到立方相的相变行为。
• 通过Rietveld精修验证结构参数，并与文献值进行比较。
• 通过最大熵法（MEM）进行电荷密度分析，以获得电子结构的更深入见解。

提出的方法

• 采用PVA蒸发法合成Ba1-xSrxTiO3（x = 0.0, 0.5, 1.0），以确保形成固溶体。
• 在中子衍射分析前，利用X射线粉末衍射（XRD）确认相纯度。
• 收集中子粉末衍射数据，并使用RIETAN-2000和FullProf软件中的Rietveld方法精修结构参数。
• 通过Rietveld精修确定阳离子和阴离子的坐标位置及热参数。
• 对中子衍射数据进行最大熵法（MEM）分析，以绘制电荷密度分布图。
• 将精修得到的结构参数和衍射图谱与先前报道的值进行比较，以验证结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 Sr掺杂如何影响BaTiO3的晶体结构和相稳定性？
• RQ2 在Ba1-xSrxTiO3中，Sr浓度达到多少时会发生从四方相到立方相的相变？
• RQ3 掺杂钙钛矿中阳离子和阴离子的占据情况及位置坐标是什么？
• RQ4 通过中子衍射精修得到的结构参数与先前报道值的吻合程度如何？
• RQ5 通过对中子衍射数据进行MEM分析，能获得关于电荷密度分布的哪些见解？

主要发现

• 晶格参数表明，在x = 0.5之前，Ba1-xSrxTiO3中存在从四方相到立方相的相变。
• 中子衍射证实，在所有样品中，Ba和Sr占据四面体A位，而Ti占据八面体B位。
• Rietveld精修显示，观察到的和计算出的中子衍射图谱之间具有极好的一致性。
• 精修得到的结构参数，包括位置坐标和热因子，与先前报道的值一致。
• 基于MEM的电荷密度分析为阳离子和阴离子周围电子环境提供了详细见解。
• 本研究证实，在整个Sr掺杂范围（x = 0.0至1.0）内形成了固溶体，且具有结构稳定性。