Mesoskopische Transformationsprozesse in Bi-basierten ferroelektrischen Mischkristallen des Perowskit-Typs
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projekts war, die mesoskopischen Aspekte der Entstehung polarer Ordnung in Bi-basierten Mischkristallen mit morphotropischer Phasengrenze (Abkürzung auf Englisch: MPB) und ihre Abhängigkeit von Dotierungsgrad und Dotierungsart zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden (1-x)PbTiO3-xBiB’0.5B”0.5O3 (PT-xBB’B”) mit B’0.5B”0.5=Mg0.5Ti0.5, Ni0.5Ti0.5, Ni0.5Zr0.5 und (1-x)Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3 (NBTxBT) mit x < 0.1 mittels der Paarverteilungsfunktionsanalyse, der Reverse Monte-Carlo Methode sowie der Ramanspektroskopie charakterisiert. Die Abhängigkeit der Nahordungsstruktur und atomaren Dynamik von der Zusammensetzung bei Raumtemperatur zeigt die Schüsselrolle von drei Hauptfaktoren für die verstärkte Piezoelektrizität an der MPB von sowohl PT-xBB’B”, als auch NBT-xBT: (i) verminderte Anisotropie der Lokalpotenziale an A- und B-Positionen; (ii) ein hohes Maß an Ausrichtungsfehlordnung, die aus der Verringerung der Korrelationslänge von lokalen Dipolen innerhalb derselben Untergitter resultiert. (iii) dynamische Synchronisation der benachbarten Dipole an den A- und B-Positionen. Die In-situ-Messungen der temperaturgeführten Umwandlungsprozesse in PT-xBB’B” zeigten Folgendes: (i) die Raumtemperaturstruktur der PT-basierten Mischkristalle an der MPB bildet ein chemisch stabilisiertes Analogon des Hochtemperaturzustands von PT, der lokale ferroische Strukturverzerrungen enthält; (ii) die Einbettung von BB’B” in die PTGrundmatrix führt auf einen neuen energetischen Zustand der Kationen auf der A-Position und verstärkt nachhaltig die Ordnungs-Unordnungs-Phänomene oberhalb und bei TC; (iii) die MPB zeichnet sich durch die unveränderte Korrelationslänge zwischen kohärenten Verschiebungen der Kationen aus dem Zentrum der A-Positionen bei Tc und konkurrierenden polaren und antiferrodistortiven Nahordnungen bezüglich des B-Untergitter s unterhalb Tc aus. Der para-ferroelektrische Phasenübergang beinhaltet daher keine durch eine Softmode getriebene dynamische Instabilität, sondern er resultiert aus einer thermodynamischen Instabilität in einem stark inhomogenen System, das konkurrierende ferroische Strukturverzerrungen und ein hohes Maß an Orientierungsfehlordnung aufweist. Die In-Situ-Messungen der NBT-xBT-Einkristalle bei verschiedenen Temperaturen und elektrischen Felder E beweisen Folgendes: (i) die Entstehung des ferroelektrischen Zustands bei Abkühlung manifestiert die zunehmende Korrelationslänge zwischen den lokalen polaren Verschiebungen; (ii) der Strukturzustand zwischen der paraelektrischen und ferroelektrischen Zone im x-T-Diagramm ist schwach ferrielektrisch, (iii) der verstärkte longitudinale piezoelektrische Koeffizient in alkali-Bi-basierten Mischkristallen mit pseudokubischer Struktur nahe der MPB, hängt mit der zusammensetzungsbedingten Senkung der lokalen Verzerrungen und damit einhergehender größerer Strukturflexibilität gegenüber externen Feldern zusammen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018): Multistep coupling of preexisting local ferroic distortions in PbTiO3 above the Curie temperature, J. Phys.: Condens. Matter, 30, 435401/1-8
Margaritescu, I., Datta, K., Mihailova, B.
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(2018): Stochastic polarization instability in PbTiO3. Phys. Rev. Lett., 121, 137602/1-6
Datta, K., Margaritescu, I., Keen, D.A., Mihailova, B.
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(2019): Local-scale structural response of (1- x)Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3 to external electric fields, Appl. Phys. Lett., 114, 042901/1-5
la Flor, G., Gorfman, S., Mihailova, B.
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(2020): Distinct temperature behavior of the local structure of (1-x)PbTiO3-xBiNi0.5Ti0.5O3 at the morphotropic phase boundary, J. Raman Spectrosc., 1-10
Margaritescu, I., Datta, K., Chen, J., Mihalova, B.
