Влияние давления, допирования оловом и размерного эффекта на фазовые переходы в антисегнетоэлектриках семейства цирконата свинца тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Князева Мария Александровна

• Князева Мария Александровна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Князева Мария Александровна

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Структурные фазовые переходы в антисегнетоэлектриках

1.2 Структура перовскита и её возможные модификации

1.3 Последовательность фазовых переходов в модельных свинец-содержащих антисегнетоэлектриках

1.3.1 Фазовые переходы в PbZrO3 и PbHfO3 при атмосферном давлении

1.3.2 Два сценария фазовых переходов в PbZrO3 и PbHfO3 при допировании

1.3.3 Последовательность фазовых переходов в PbZrO3 и PbHfO3 под давлением

1.3.4 Сценарий фазовых переходов в эпитаксиальных гетероструктурах на основе РЬ7гОз и PbHfOз

1.4 Подходы к модельному описанию фазовых переходов в свинец-содержащих антисегнетоэлектриках

1.5 Выводы по первой главе

Глава 2. Объекты и методы исследования

2.1 Метод монокристальной дифракции

2.2 Метод диффузного рассеяния

2.3 Аспекты технической реализации экспериментов

2.3.1 Реализация экспериментов с приложением температуры и давления к АСЭ кристаллам

2.3.2 Обработка данных экспериментов по приложению давления

2.3.3 Реализация эксперимента по изучению фазовых переходов в допированном атомами олова PbHfO3

2.3.4 Определение фоновой интенсивности на ландшафтах диффузного рассеяния в допированном атомами олова РЬИЮ3

2.3.3 Реализация экспериментов по монокристальной дифракции в эпитаксиальных тонких плёнках на основе РЬ7Ю3

Глава 3. Влияние давления на сценарии фазовых переходов в РЬ7Ю3 и РЬИГО3

3.1 Фазовая диаграмма РЬИЮ3 в пространстве «температура - давление»

3.2 Характеризация сверхструктурных отражений в РЬИГО3 под давлением

3.3 Фазовые переходы в PbZrO3 под давлением

3.4 Характеризация сверхструктурных отражений в РЬ7Ю3 под давлением

3.5 Выводы о влиянии давления на сценарий фазовых переходов в антисегнетоэлектриках

Глава 4. Влияние допирования оловом на сценарий фазовых переходов в PbHfO3

4.1 Последовательность фазовых переходов

4.2 Критическая динамика при фазовом переходе из кубической фазы в промежуточную

4.3 Критическая динамика со стороны несоразмерной моды в IM фазе

4.4 Параметризация ландшафта восприимчивости в кубической и промежуточной фазах в терминах модели, основанной на теории Ландау

4.5 Выводы о влиянии допирования атомами олова на сценарий фазовых переходов в PbHf0.7Sn0.3O3

Глава 5. Влияние размерного эффекта на сценарий фазовых переходов в PbZrO3

5.1 Размытие фазовых переходов в тонких плёнках PbZrO3

5.2 Анизотропия формы сверхструктурных рефлексов в тонких плёнках PbZrO3

5.3 Рефлексы М-типа

5.4 Диффузное рассеяние в тонких плёнках на основе цирконата свинца

5.5 Выводы о сценарии фазовых переходов в гетероструктурах на основе PbZrO3

Глава 6. Сопоставление сценариев фазовых переходов в PbZrO3 и PbHfO3 под давлением, в допированном оловом PbHfO3 и тонких плёнках на основе PbZrO3

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние давления, допирования оловом и размерного эффекта на фазовые переходы в антисегнетоэлектриках семейства цирконата свинца»

Введение

Актуальность работы. Устройства на основе антисегнетоэлектрических материалов применяются во множестве сфер человеческой деятельности благодаря множеству полезных свойств (прямой и обратный пьезоэффект, пироэлектрический эффект, которые наблюдаются в устройствах на основе цирконата-титаната свинца). Эти материалы могут быть использованы в устройствах для хранения энергии [1]: энергия накапливается при переходе в полярную фазу за счёт приложения электрического поля, при снятии поля энергия высвобождается. На основе антисегнетоэлектриков также возможно создать приборы для хранения информации на управляемых доменных стенках [2], в которых за счёт создания подходящих внешних условиях формируются области с устойчивой поляризацией. Ещё одна актуальная техническая задача - создание твердотельных охлаждающих устройств - также решаема с применением антисегнетоэлектриков за счёт электрокалорического эффекта, наблюдаемого в ультратонких антисегнетоэлектрических плёнках при приложении электрического поля [3 - 4].

В свете вышесказанного актуально изучение структурных фазовых переходов в антисегнетоэлектрических кристаллах. В частности, необходимо систематизировать сведения о том, к каким изменениям приводят различные модификации структуры антисегнетоэлектрических кристаллов. В то же время, разработка новых подходов к модельному описанию структурных фазовых переходов является одним из наиболее эффективных способов прогнозирования тех или иных полезных свойств. Для антисегнетоэлектрических материалов построение непротиворечивого модельного описания представляется более сложной задачей по сравнению с сегнетоэлектриками. В первую очередь, это связано с тем, что антисегнетоэлектрики, как правило, обладают несколькими параметрами порядка, которые при понижении симметрии в ходе структурного

фазового перехода могут появляться одновременно; также усложняет описание возможность взаимодействия различных структурных мод.

Простые свинец-содержащие антисегнетоэлектрики, такие как цирконат свинца (РЬ7Ю3) и гафнат свинца (PbHfO3), представляются наиболее привлекательными объектами исследования. В первую очередь, из практических соображений: цирконат свинца является одним из наиболее часто используемых в промышленности антисегнетоэлектриков. Несмотря на это, цирконат свинца не изучен досконально: известно о нестандартных типах упорядочений в цирконате свинца, которые впервые были зарегистрированы в 2022 году [5]. Гафнат свинца, хоть и менее используем, тоже весьма привлекателен: будучи модельным антисегнетоэлектриком, как и цирконат свинца, гафнат свинца обладает более богатой фазовой диаграммой. В контексте фундаментальных исследований несоразмерных фаз гафнат свинца также представляет большой интерес ввиду наблюдения в нём триггерного механизма фазовых переходов в несоразмерную фазу [6]: фазовый переход управляется не несоразмерной мягкой модой, как происходит в большинстве антисегнетоэлектриках, а мягкой модой антиферродисторсионной природы.

Степень разработанности. На сегодняшний день хорошо изучены сценарии фазовых переходов в немодифицированных цирконате свинца и гафнате свинца, а также кристаллографически охарактеризованы низкосимметричные фазы в них. Сценарий фазовых переходов в гафнате свинца и цирконате свинца под давлением до недавнего времени был изучен только методом диэлектрической спектроскопии, с помощью которого удаётся определить лишь наличие фазовых переходов и их температуру, в то время как сведения о структуре низкосимметричных фаз получить нельзя.

Для допированного атомами олова гафната свинца к моменту начала работы имелись обширные сведения о фазовых переходах в твёрдых растворах с различной концентрацией олова, полученные методами диэлектрической спектроскопии,

двулучепреломления; для допированного оловом гафната свинца также проведены измерения теплоёмкости в широком диапазоне температур.

Тонкие антисегнетоэлектрические плёнки на основе цирконата свинца в последнее время привлекают всё больше внимания, особенно с точки зрения влияния на структуру цирконата свинца эпитаксиальных напряжений. Для них были проведён ряд исследований (как первопринципных, так и экспериментальных), в результате которых было установлено, что в тонких плёнках на основе цирконата свинца существует множество альтернативных низкосимметричных фаз как полярных, так и неполярных. В частности, экспериментально был установлен переход в полярную фазу по достижении критической толщины ~10 нм [7], а также переход в сегнетиэлектрическую фазу при приложении электрического поля выше 225 кВ/см [5]. В то же время, информация о сценарии фазовых переходов представлена только диэлектрическими данными [8, 9], согласно которым в тонких плёнках цирконата свинца температура перехода в кубическую фазу выше по сравнению с монокристаллами цирконата свинца, а пик диэлектрической проницаемости размыт по температуре.

Целью работы является определение сценариев фазовых переходов в антисегнетоэлектриках семейства цирконата свинца при приложении гидростатического давления, допировании оловом и под действием эпитаксиальных напряжений.

Задачи работы, отвечающие поставленной цели, состояли в следующем:

1. Получение информации о фазовых переходах в цирконате свинца и гафнате свинца под давлением, в допированном оловом гафнате свинца и в тонких плёнках на основе цирконата свинца в рамках метода дифракции синхротронного излучения.

2. Характеризация структуры низкосимметричных фаз в исследуемых объектах.

3. Анализ ландшафтов диффузного рассеяния, содержащих информацию о статической восприимчивости, в различных позициях зоны Бриллюэна.

4. Выявление общих закономерностей в рассмотренных сценариях фазовых переходов.

Научная новизна. Все полученные в данном исследовании результаты являются новыми. Впервые изучена дифракционными методами последовательность фазовых переходов в гафнате свинца под давлением. Установлена антиферродисторсионная природа проявляющейся под давлением промежуточной фазы в гафнате свинца. Исследования гафната свинца под давлением произведены при различных значениях давления от 1.15 ОРа до 2.6 ОРа, что позволило получить прямые дифракционные данные о влиянии давления на смещения различных групп атомов.

Исследование фазовых переходов в гафнате-станнате свинца впервые проведено с температурным разрешением, достаточным для установления температур переходов дифракционными методами. Используя модель, основанную на теории Ландау, удалось параметрически описать температурную эволюцию ландшафта ДР в окрестности центра зоны Бриллюэна в кубической фазе и промежуточной фазе допированного оловом гафната свинца: определена температура, при которой происходит переход от флуктуаций однородной поляризации (сегнетоэлектрический параметр порядка) к флуктуациям неоднородной поляризации (несоразмерный параметр порядка).

Установлен сценарий фазовых переходов в эпитаксиальных структурах цирконата свинца, отличающийся от наблюдений, полученных для аналогичных тонких плёнок. Проведение измерений сверхструктурных отражений в едином температурном цикле позволило прецизионно оценить гетерофазное состояние в плёнках, и сопоставить наблюдения по дифракции с наблюдениями по диффузному рассеянию.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты позволяют оценить сходства и различия между тем, как модификации структуры влияют на последовательность фазовых переходов в антисегнетоэлектриках семейства цирконата свинца. Выявлена закономерность между величиной приложенного давления и периодичностью катионных смещений в несоразмерной фазе гафната свинца, что может быть полезно для создания устройств с заданными свойствами. В работе изложены новые подходы к обработке экспериментальных данных по диффузному рассеянию, полученных с использованием позиционно-чувствительных детекторов. Эта информация будет полезна для исследователей, использующих для характеристики материалов метод монокристальной дифракции и метод диффузного рассеяния синхротронного излучения.

Степень достоверности

Достоверность полученных в работе теоретических и экспериментальных результатов базируется на следующих аспектах:

1) При проведении исследований использовались традиционные подходы кристаллографии и общепризнанные методы исследований.

2) Результаты воспроизводимы, подтверждены прогнозами моделирования и хорошо соответствуют данным, полученным с помощью других экспериментальных методик.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 9 работ: 5 статей в рецензируемых журналах, входящих в базы Scopus, Web of Science, РИНЦ и перечень ВАК РФ, 1 - в сборниках материалов международных конференций, индексируемых в Scopus, 3 - в сборниках материалов конференций, входящих в список РИНЦ. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на конференциях различных уровней: Fundamental Physics of Ferroelectrics 2022 «Ferro 2022», международная

конференция в онлайн-формате, 2022 г.; Virtual electronic materials and applications (EMA-2021), 2021 г.; E-MRS Spring meeting 2021 virtual conference, 2021 г.; Неделя науки СПбПУ, ИЭиТ (проводимые в 2016, 2018, 2020 и 2021 гг.); 14TH Russia/CIS/Baltic/Japan symposium on ferroelectricity and young scientists school on the spectroscopic studies of critical dynamics at structural phase transitions, Санкт-Петербург, 2018 г..

Положения, выносимые на защиту.

1. Приложение гидростатического давления к гафнату свинца и его допирование атомами олова приводят к появлению промежуточной антиферродисторсионной фазы между кубической фазой и несоразмерно модулированной фазой.

2. При приложении давления величиной 1.6 GPa и выше в гафнате свинца появляются дополнительные модуляции в кислородной подсистеме - софазные повороты кислородных октаэдров - в несоразмерно модулированной и промежуточной антиферродисторсионной фазах.

3. В твёрдом растворе PbHf07Sn03O3 вблизи перехода из кубической фазы в промежуточную антиферродисторсионную фазу скоррелированно изменяются ландшафты диффузного рассеяния в центре и на границе зоны Бриллюэна, что указывает на ключевую роль антиферродисторсионной моды при выборе реализации полярных и неполярных катионных упорядочений.

4. Для описания температурной эволюции статической восприимчивости вдоль Г-М направлений в промежуточной антиферродисторсионной фазе допированного оловом гафната свинца моделью на основе теории Ландау достаточно двух температурно зависимых параметров - диэлектрической жёсткости и константы корреляционной энергии.

5. В эпитаксиальных гетероструктурах на основе цирконата свинца PbZrO3/SrRuO3/SrTiO3 с ориентацией нормали к плёнке вдоль направления [0 0 1] существует промежуточная фаза, характеризующаяся модуляциями вдоль

поверхности плёнки, объём промежуточной фазы растёт при уменьшении толщины плёнки.

Личный вклад. Экспериментальные результаты, представленные в диссертации, получены при непосредственном участии соискателя. Автор диссертации лично осуществлял обработку экспериментальных данных и принимал участие в обсуждении результатов, их интерпретации и написании статей.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы и списка публикаций по теме диссертации. Работа содержит 123 страницы, 45 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает 73 наименования.

В первой главе приведён обзор современного состояния исследований модифицированных антисегнетоэлектриков. В ней содержатся сведения о структурных фазовых переходах и возможных модификациях структуры антисегнетоэлектриков. Проанализированы актуальные экспериментальные сведения об устройстве цирконата свинца и гафната свинца при различных условиях. Описана модель первородных переходов, основанная на теории Ландау.

Вторая глава содержит сведения об использованных методиках исследования. В ней также представлена техническая информация о постановке экспериментов и подготовке образцов, а также изложены новые подходы к обработке экспериментальных данных.

В третьей главе представлены сведения о сценариях фазовых переходов в цирконате свинца и гафнате свинца под давлением. Впервые кристаллографически охарактеризованы низкосимметричные фазы в гафнате свинца под давлением: определена природа сверхструктурных отражений и оценена их температурная эволюция. Аналогичная оценка произведена для цирконата свинца. Подтверждена антиферродисторсионная природа промежуточной фазы, возникающей в гафнате свинца под давлением. Охарактеризовано влияние давления на структурные

искажения в гафнате свинца: при давлении 1.6 GPa и выше в низкосимметричных фазах возникают дополнительные модуляции - софазные повороты кислородных октаэдров; повышение давления также способствует увеличению приведённого волнового вектора несоразмерных модуляций. Полученные данные были использованы для уточнения фазовых диаграмм цирконата свинца и гафната свинца в пространстве «давление-температура».

В четвёртой главе изучен сценарий фазовых переходов в допированном оловом гафнате свинца. Показано нарушение триггерного сценария фазовых переходов в пользу двух последовательных переходов, управляемых антиферродисторсионной и несоразмерной мягкими модами. На основании температурных зависимостей соответствующих параметров порядка фазовые переходы охарактеризованы как переходы первого рода, близкие ко второму роду. Исследована температурная динамика ландшафтов статической восприимчивости в центре и на границе зоны Бриллюэна в кубической фазе допированного оловом гафната свинца: установлено, что изменение температурного наклона сегнетоэлектрической жёсткости коррелирует с флуктуациями антиферродисторсионного параметра порядка вблизи перехода. На основании соотношения интенсивностей диффузного рассеяния вдоль различных Г-М направлений установлена орторомбическая симметрия промежуточной антиферродисторсионной фазы. В промежуточной фазе допированного оловом гафната свинца смягчается несоразмерная мода, это выражено в появлении анизотропного ДР с температурно зависимым максимумом в несоразмерной позиции. Качественно это смягчение может быть описано с помощью модели, основанной на теории Ландау, с использованием как минимум двух температурно-зависимых параметров - диэлектрической жёсткости и константы корреляционной энергии.

В пятой главе охарактеризованы фазовые переходы в эпитаксиальных структурах на основе цирконата свинца. Исследована температурная динамика сверхструктурных отражений и произведена оценка их принадлежности к

конкретным фазам. Установлено присутствие уникальной структуры в широком диапазоне температур: она характеризуется появлением сверхструктурных рефлексов в позициях вида ^ ± У, k ± У, l), интенсивность которых растёт при уменьшении толщины плёнки. Дана характеристика уширениям сверхструктурных рефлексов: уширения рефлексов в out-of-plane М-позициях совпадают с таковыми для рефлексов в Я- и Х-позициях, что доказывает принадлежность out-of-plane М-рефлексов низкотемпературной антисегнетоэлектрической фазе. Уширения рефлексов, принадлежащих низкотемпературной антисегнетоэлектрической фазе, были рассмотрены с точки зрения механической совместимости псевдотетрагональных доменов: рассчитанные положения сателлитов от различных доменов воспроизводят очертания сверхструктурных рефлексов, хотя отдельных максимумов интенсивности со стороны каждого из сателлитов не наблюдается. Присутствие на дифракции одного уширенного рефлекса вместо набора сателлитов от различных доменных ориентаций интерпретируется как результат коллективного рассеяния на ансамбле доменов различного размера. Исходя из этого, удалось оценить возможный разброс антисегнетоэлектрических доменов по размерам в тонких плёнках цирконата свинца: с экспериментальными наблюдениями наиболее согласуется картина рассеяния на ансамбле доменов размерами от 1 до 50 псевдокубических ячеек. Из ландшафтов обобщённой восприимчивости, которая содержится в ДР в окрестности центра зоны Бриллюэна, была получена температурная зависимость сегнетоэлектрической жёсткости: несмотря на гетерофазное состояние, на зависимости сегнетоэлектрической жёсткости идентифицирован только один минимум, связанный с фазовым переходом в низкотемпературную антисегнетоэлектрическую фазу.

В шестой главе сопоставлены сценарии фазовых переходов для всех рассмотренных модификаций антисегнетоэлектриков.

В заключении перечислены основные результаты работы.

Глава 1. Обзор литературы 1.1 Структурные фазовые переходы в антисегнетоэлектриках

Структурные фазовые переходы возникают, когда изменяется кристаллографическая структура вещества [11]. Структурные фазовые переходы могут сопровождаться аномалиями некоторых физических свойств системы вблизи точки перехода или появлением практически выгодных качеств (в приборах на основе твёрдых растворов антисегнетоэлектриков и сегнетоэлектриков может наблюдаться прямой и обратный пьезоэффект, пироэлектрический эффект.). Воздействия, приводящие к структурным изменениям, могут быть различными: изменение температуры, приложение электрического поля, давления и др. Изучение фазовых переходов на качественном уровне в первом приближении сводится к наблюдению за какой-либо характеристикой кристалла (теплоёмкость, энтропия, объём, диэлектрическая восприимчивость и т. д.) в некотором диапазоне воздействий.

Структурные фазовые переходы с точки зрения способа перестройки структуры подразделяются на переходы типа смещения и переходы типа порядок - беспорядок. Понижение симметрии при структурном фазовом переходе типа смещения выражается в отклонении некоторых групп атомов относительно своих равновесных положений в высокосимметричном состоянии на расстояния вплоть до размера элементарной ячейки. При переходах типа порядок - беспорядок понижение симметрии происходит в результате перераспределения частиц по ранее равновероятным положениям. Принципиальных различий в представлении этих переходов с точки зрения симметрии или термодинамического потенциала нет, хотя для каждого из переходов надо учитывать свою специфику относительно динамических свойств системы [7]. В данной работе все наблюдаемые фазовые переходы в цирконате свинца и гафнате свинца считаются структурными фазовыми переходами типа смещения.

Величина атомных смещений (в случае структурных фазовых переходов типа смещение) и соотношение между разностью количества атомов в различных

состояниях к их сумме (в случае структурных фазовых переходов типа порядок-беспорядок) выступают в качестве меры упорядочения кристалла. В терминах феноменологической теории структурных фазовых переходов этой мере соответствует параметр порядка [10, 11] - величина, равная нулю в высокосимметричной фазе и отличная от него при понижении симметрии. В зависимости от характера изменения параметра порядка с температурой (или при иных воздействиях) фазовые переходы могут быть определены как переходы первого рода, переходы второго рода и переходы первого рода, близкие ко второму роду [10]. Фазовые переходы первого рода характеризуются скачкообразным изменением параметра порядка с отсутствием явной температурной зависимости ниже перехода (рисунок 1 (а)). Фазовые переходы первого рода, как правило, сопровождаются резким скачком диэлектрической восприимчивости в районе перехода; для них может наблюдаться температурный гистерезис - различие температуры фазового перехода при рассмотрении в режимах нагрева и охлаждения. Для переходов первого рода не накладывается никаких ограничений на изменение симметрии кристалла.

В случае, когда параметр порядка изменяется непрерывно, имеет место фазовый переход второго рода (рисунок 1(б)). При переходах второго рода работает правило "преемственности" для низкосимметричных состояний: все элементы симметрии низкосимметричной фазы унаследованы от высокосимметричной. Фазовые переходы второго рода часто сопровождаются возникновением нового физического качества у системы: сверхпроводимости, ферромагнетизма, сверхтекучести и т. д., делающего объект исследования привлекательным не только с фундаментально - научной, но и с прикладной точки зрения.

(а)

(б)

(в)

П "

п

П "

Тс Т

Тс Т

Тс Т

Рисунок 1. Зависимость параметра порядка от температуры при трёх сценариях фазовых переходов - фазовом переходе первого рода (а), фазовом переходе второго рода (б) и фазовом переходе первого рода, близком ко второму

В случае, когда параметр порядка резко возникает в момент перехода, но ниже перехода имеет явную температурную зависимость, говорят о фазовом переходе первого рода, близкого ко второму роду (рисунок 1(в)).

Сегнетоэлектричество - явление, сопровождающее структурные фазовые переходы, при котором в кристалле в некотором диапазоне температур возникает спонтанная поляризация Р8 в отсутствие электрического поля [10]. На структурном уровне спонтанная поляризация Р8 возникает за счёт существования нескомпенсированных дипольных моментов атомарных смещений; направление Р$ можно изменить приложением внешнего поля другой полярности. Зависимость Р«(Е) для СЭ материалов имеет гистерезис. В антисегнетоэлектриках векторы дипольного момента в отсутствие внешнего поля направлены антипараллельно и компенсируют друг друга, поэтому Р8 в отсутствие внешнего поля не наблюдается, а зависимость Р«(Е) в таком случае имеет вид двойных петель гистерезиса. Таким образом, сегнетоэлектрические и антисегнетоэлектрические фазовые переходы представляют собой особый класс структурных фазовых превращений, при которых переход из высокосимметричной в низкосимметричную фазу сопровождается появлением спонтанной поляризации и поляризации отдельных подрешеток, соответственно.

роду (в) [10].

1.2 Структура перовскита и её возможные модификации

Цирконат свинца (РЬ7г03) - один из наиболее используемых представителей антисегнетоэлектрических кристаллов из-за существования у этого материала фазового перехода из антисегнетоэлектрической фазы, характеризуемой скомпенсированными антипараллельными смещениями атомов свинца, в сегнетоэлектрическую фазу со спонтанной поляризацией. С точки зрения симметрии фаз, а также сценария фазовых переходов, гафнат свинца во многом похож на цирконат свинца. Глобальное качественное различие между ними состоит в наличии у последнего при атмосферном давлении стабильной несоразмерной фазы между низкотемпературной антисегнетоэлектрической фазой и высокотемпературной параэлектрической фазой.

Цирконат свинца и гафната свинца относятся к простым свинец-содержащим антисегнетоэлектрикам; в высокосимметричном состоянии эти материалы имеют структуру кубического перовскита (рисунок 2): на пересечении объёмных диагоналей расположен атом Zr/Hf, вокруг него располагается октаэдрическая группа атомов кислорода, в узлах ячейки расположены атомы свинца.

Рисунок 2. Элементарная ячейка свинец-содержащих антисегнетоэлектриков

цирконата свинца и гафната свинца

Понижение симметрии в этих кристаллах может происходить тремя способами: за счёт смещений катионов (в исследуемых материалах положения меняют, как правило, катионы свинца), поворотов и деформации кислородных

октаэдров [14]. При рассмотрении смещений в подсистеме атомов свинца выделяется два случая - случай параллельных смещений, при котором векторы смещений атомов во всех высокосимметричных элементарных ячейках сонаправлены друг другу, и случай антипараллельных смещений, при котором атомы смещаются в противоположных направлениях с некоторой периодичностью. Схематически эти случаи проиллюстрированы на рисунке 3 на панелях (б) и (в), соответственно: в первом случае атомы смещаются параллельно, и реализованная волна смещений не влияет на объём элементарной ячейки (б), тогда как во втором случае атомы смещаются антипараллельно, и объём элементарной ячейки кратно увеличивается периоду образовавшейся сверхструктуры (в). Смещения атомов свинца, как правило, сопровождаются деформациями кислородных октаэдров, поэтому два разных случая смещений приводят к появлению разных с точки зрения компенсации дипольных моментов структур с сегнетоэлектрическим или антисегнетоэлектрическим порядком.

Стоит отметить, что период образовавшейся сверхструктуры может быть несоразмерным исходному периоду высокосимметричной фазы (рисунок 3(г)). Отличие несоразмерного порядка от случая длиннопериодных модуляций в том, что отношение периодов элементарных ячеек для высокосимметричного и несоразмерного состояний является иррациональным числом. Из-за несоизмеримости длины замороженной волны смещений с основным периодом решетки величина смещений атомов при переходе от одной ячейки к другой меняется таким образом, что не возникает повторения этой величины, т. е. в бесконечном кристалле имеется бесконечный набор величин смещений. Тем не менее, расположение атомов при трансляции остается неизменным, что даёт возможность рассматривать соответствующий объём как элементарную ячейку.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Князева Мария Александровна, 2023 год

Список литературы

1. K. M. Rabe, Functional Metal Oxides: New Science and Novel Applications, edited by S. B. Ogale, T. V. Venkatesan, and M. G. Blamire (Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany, 2013) Chap. Antiferroelectricity in oxides: a reexamination, pp. 221-244

2. Park M. H. et al. Review and perspective on ferroelectric HfO2-based thin films for memory applications //Mrs Communications. - 2018. - Т. 8. - №. 3. - С. 795808.

3. Huang X. X. et al. Large room temperature negative electrocaloric effect in novel antiferroelectric PbHfO3 films //ACS Applied Materials & Interfaces. - 2021. -Т. 13. - №. 18. - С. 21331-21337.

4. Kingsland M., Lisenkov S., Ponomareva I. Unveiling electrocaloric potential of antiferroelectrics with phase competition //Advanced Theory and Simulations. - 2018. - Т. 1. - №. 11. - С. 1800096.

5. Burkovsky R. G. et al. Field-induced heterophase state in PbZrO3 thin films //Physical Review B. - 2022. - Т. 105. - №. 12. - С. 125409.

6. Burkovsky R. G. et al. Triggered incommensurate transition in PbHfO3 //Physical Review B. - 2019. - Т. 100. - №. 1. - С. 014107.

7. Chaudhuri A. R. et al. Epitaxial strain stabilization of a ferroelectric phase in PbZrO 3 thin films //Physical Review B. - 2011. - Т. 84. - №. 5. - С. 054112.

8. Gao R. et al. Ferroelectricity in Pb1+ 5ZrO3 thin films //Chemistry of Materials. - 2017. - Т. 29. - №. 15. - С. 6544-6551.

9. Si Y. et al. Phase Competition in High-Quality Epitaxial Antiferroelectric PbZrO3 Thin Films //ACS Applied Materials & Interfaces. - 2022. - Т. 14. - №. 45. -С. 51096-51104.

10. Струков Б. А., Леванюк А. П. Физические основы сегнетоэлектрических явлений в кристаллах: Учебное пособие. - 1983.

11. Брус А., Каули Р. Структурные фазовые переходы. М.: Мир. 408 с. -

1984.

12. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Том V. Статистическая физика, часть 1 //книга. - 1976.

13. Devonshire A. F. XCVI. Theory of barium titanate: Part I //The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1949. - Т. 40.

- №. 309. - С. 1040-1063.

14. Glazer A. M. Simple ways of determining perovskite structures //Acta Crystallographica Section A: Crystal Physics, Diffraction, Theoretical and General Crystallography. - 1975. - Т. 31. - №. 6. - С. 756-762.

15. Brillouin-zone database on the Bilbao Crystallographic Server / Mois I Aroyo, Danel Orobengoa, Gemma de la Flor et al. // Acta Crystallographica Section A: Foundations and Advances. - 2014. - Vol. 70, no. 2. - P. 126-137.

16. Whatmore R. W., Glazer A. M. Structural phase transitions in lead zirconate //Journal of Physics C: Solid State Physics. - 1979. - Т. 12. - №. 8. - С. 1505.

17. Corker D. L. et al. A re-investigation of the crystal structure of the perovskite PbZrO3 by X-ray and neutron diffraction //Acta Crystallographica Section B: Structural Science. - 1997. - Т. 53. - №. 1. - С. 135-142.

18. Shirane G., Sawaguchi E., Takagi Y. Dielectric properties of lead zirconate //Physical Review. - 1951. - Т. 84. - №. 3. - С. 476.

19. Glazer A. M., Roleder K., Dec J. Structure and disorder in single-crystal lead zirconate, PbZrO3 //Acta Crystallographica Section B: Structural Science. - 1993. - Т. 49. - №. 5. - С. 846-852.

20. Fujishita H., Hoshino S. A study of structural phase transitions in antiferroelectric PbZrO3 by neutron diffraction //Journal of the Physical Society of Japan.

- 1984. - Т. 53. - №. 1. - С. 226-234.

21. Jankowska-Sumara I. et al. Incommensurately modulated structures in Pb (Zr1- xSnx) O3 single crystals by x-ray diffraction //APL Materials. - 2021. - Т. 9. - №. 2. - С. 021101.

22. Shirane Gen, Hoshino Sadao. Crystal Structure of the Ferroelectric Phase in PbZrO3 Containing Ba or Ti // Physical Review. % 1952. % Vol. 86, no. 2. P. 248.

23. Tennery Victor J. High-Temperature Phase Transitions in PbZrO3 // Journal of the American Ceramic Society. w 1966. $ Vol. 49, no. 9. A P. 483-486.

24. Ferroelectric Domains and Incommensuration in the Intermediate Phase Region of Lead Zirconate / Zhengkui Xu, Xunhu Dai, Dwight Viehland et al. // Journal

of the American Ceramic Society. ^ 1995. ^ Vol. 78. ^ P. 2220-2224.

25. Liu Hongbo. Origin of the intermediate phase in lead zirconate, PbZrO3 // Journal of the American Ceramic Society. ^ 2018. ^ Vol. 101, no. 11. ® P. 5281-5286.

26. Fesenko O. E., Kolesova R. V., Sindeyev Y. G. The structural phase transitions in lead zirconate in super-high electric fields //Ferroelectrics. - 1978. - T. 20. - №. 1. - C. 177-178.

27. Tagantsev A. K. et al. The origin of antiferroelectricity in PbZrO3 //Nature communications. - 2013. - T. 4. - №. 1. - C. 2229.

28. Corker D. L. et al. Investigation into the crystal structure of the perovskite lead hafnate, PbHfO3 //Acta Crystallographica Section B: Structural Science. - 1998. -T. 54. - №. 1. - C. 18-28.

29. Roleder K. et al. Dielectric spectroscopy of the antiferroelectric PbHfO3 //Ferroelectrics. - 2000. - T. 238. - №. 1. - C. 139-146.

30. Fujishita H. et al. Structural modulations in the intermediate phase of antiferroelectric PbHfO3 //Journal of the Physical Society of Japan. - 2018. - T. 87. - №. 12. - C. 124603.

31. Bosak A. et al. Incommensurate crystal structure of PbHfO3 //Acta Crystallographica Section B: Structural Science, Crystal Engineering and Materials. -2020. - T. 76. - №. 1. - C. 7-12.

32. Jankowska-Sumara I. Antiferroelectric phase transitions in single crystals PbZrO3: Sn revisited //Phase Transitions. - 2014. - T. 87. - №. 7. - C. 685-728.

33. Jaffe B., Cook W. R., Jaffe H. The piezoelectric effect in ceramics //Piezoelectric ceramics. - 1971. - C. 7-21.

34. Zhang N. et al. The missing boundary in the phase diagram of PbZr1-xTixO3 //Nature communications. - 2014. - T. 5. - №. 1. - C. 5231.

35. An Z. et al. Multiple structural components and their competition in the intermediate state of antiferroelectric Pb (Zr, Ti) O 3 //Physical Review B. - 2021. - T. 103. - №. 5. - C. 054113.

36. Shirane G., Takeda A. Phase transitions in solid solutions of PbZrO3 and PbTiO3 (I) small concentrations of PbTiO3 //Journal of the Physical Society of Japan. -1952. - T. 7. - №. 1. - C. 5-11.

37. Shirane G., Suzuki K., Takeda A. Phase transitions in solid solutions of PbZrO3 and PbTiO3 (II) X-ray study //Journal of the Physical Society of Japan. - 1952.

- T. 7. - №. 1. - C. 12-18.

38. Sawaguchi E. Ferroelectricity versus antiferroelectricity in the solid solutions of PbZrO3 and PbTiO3 //Journal of the physical society of Japan. - 1953. - T. 8. - №. 5. - C. 615-629.

39. Michel C. et al. Atomic structures of two rhombohedral ferroelectric phases in the Pb (Zr, Ti) O3 solid solution series //Solid State Communications. - 1969. - T. 7.

- №. 12. - C. 865-868.

40. Ricote J. et al. A TEM and neutron diffraction study of the local structure in the rhombohedral phase of lead zirconate titanate //Journal of Physics: Condensed Matter.

- 1998. - T. 10. - №. 8. - C. 1767.

41. Watanabe S, Koyama Y. Roles of ferroelectricity, antiferroelectricity, and rotational displacement in the ferroelectric incommensurate phase of P b (Z r 1- x Ti x) O 3 // Physical Review B. C 2001. C Vol. 63, no. 13. C P. 134103.

42. Andronikova D. A. et al. Structural peculiarities of the intermediate phase in Zr-rich lead zirconate titanate //Physics of the Solid State. - 2019. - T. 61. - C. 17721778.

43. Vakhrushev S. et al. Mode Coupling at around M-Point in PZT //Materials.

- 2022. - T. 15. - №. 1. - C. 79.

44. Jaffe B., Roth R. S., Marzullo S. Properties of piezoelectric ceramics in the solid-solution series lead titanate-lead zirconate-lead oxide: tin oxide and lead titanate-lead hafnate //Journal of research of the National Bureau of Standards. - 1955. - T. 55. -№. 5. - C. 239-254.

45. Heremans C., Tuller H. L. Lead hafnate zirconate titanate-based perovskite materials for actuation //Journal of the European Ceramic Society. - 1999. - T. 19. - №. 6-7. - C. 1133-1137.

46. Jankowska-Sumara I. et al. Micro-Raman scattering and dielectric investigations of phase transitions behavior in the PbHfD.7Sn0.3O3 single crystal //Journal of Applied Physics. - 2017. - T. 122. - №. 10. - C. 104104.

47. Jankowska-Sumara I. et al. Local properties and phase transitions in Sn doped antiferroelectric PbHfO3 single crystal //Journal of Physics: Condensed Matter. -2020. - T. 32. - №. 43. - C. 435402.

48. Samara G. A. Pressure and Temperature Dependence of the Dielectric Properties and Phase Transitions of the Antiferroelectric Perovskites: PbZrO3 and PbHfO3 //Physical Review B. - 1970. - T. 1. - №. 9. - C. 3777.

49. Handerek J., Pisarski M., Ujma Z. The influence of an electric field and hydrostatic pressure on dielectric properties and phase transitions in PbZrO3 //Journal of Physics C: Solid State Physics. - 1981. - T. 14. - №. 14. - C. 2007.

50. Burkovsky R. G. et al. Critical scattering and incommensurate phase transition in antiferroelectric PbZrO3 under pressure //Scientific reports. - 2017. - T. 7. - №. 1. - C. 1-8.

51. Ming L. C. et al. An in-situ high pressure x-ray diffraction study of PbHfO3 to 52.5 GPa at room temperature and pressure-induced phase transformations //Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 1994. - T. 55. - №. 11. - C. 1213-1219.

52. Jayaraman A. et al. High pressure Raman studies on ABO3 perovskite type structure compound PbHfO3 to 40 GPa: Pressure-induced phase transitions //Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 1994. - T. 55. - №. 11. - C. 1207-1212.

53. Boldyreva K. et al. Microstructure and electrical properties of (120) O-oriented and of (001) O-oriented epitaxial antiferroelectric Pb Zr O 3 thin films on (100)

Sr Ti O 3 substrates covered with different oxide bottom electrodes //Journal of Applied Physics. - 2007. - Т. 102. - №. 4. - С. 044111.

54. Reyes-Lillo S. E., Rabe K. M. Antiferroelectricity and ferroelectricity in epitaxially strained PbZrO 3 from first principles //Physical Review B. - 2013. - Т. 88. -№. 18. - С. 180102.

55. Schom P. J. et al. Characterization of Chemical Solution Deposition-Derived Lead Hafnate Titanate Thin Films //Journal of the American Ceramic Society. - 2005. -Т. 88. - №. 5. - С. 1312-1314.

56. Lin Y. L. et al. Enhanced ferroelectric properties of (1 1 1) oriented Pb (Hf0. 3Ti0. 7) O3 thin films deposited using self-buffered layer //Journal of Alloys and Compounds. - 2015. - Т. 627. - С. 182-185.

57. Vaks VG. Phase transitions of the displacement type in ferroelectrics // Soviet Phys..JETP. - 1968. - Vol. 27. - P. 486-494.

58. Farhi E. et al. Low energy phonon spectrum and its parameterization in pure KTaO3 below 80 K //The European Physical Journal B-Condensed Matter and Complex Systems. - 2000. - Т. 15. - №. 4. - С. 615-623.

59. Andronikova D. A. et al. Phonon dispersion calculations using the Vaks model in antiferroelectric lead zirconate //Journal of Advanced Dielectrics. - 2015. - Т. 5. - №. 02. - С. 1550016.

60. CrysAlis P. R. O. Oxford Diffraction Ltd //Yarnton, England. - 2009.

61. «Программа для получения распределений интенсивности рассеяния в координатах omega-2theta "pi-map"». Правообладатель: федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (ФГАОУ ВО «СПбПУ») (RU). № 2017617111; дата поступления 03.05.2017; дата гос. регистрации в Реестре программ для ЭВМ 23.06.2017.

62. Вайнштейн Б. К. Современная кристаллография (в четырех томах). Том 1. Симметрия кристаллов //М.: Изд-во «Наука» Москва.-1979. - 1979.

63. Mittemeijer E. J., Welzel U. (ed.). Modern diffraction methods. - John Wiley & Sons, 2013.

64. Toledano and D. D. Khalyavin, Symmetry-determined antiferroelectricity in PbZrO3, NaNbO3, and PbHfO3, Physical Review B 99, 024105 (2019)

65. P. V. Yudin, R. Ahluwalia, and A. K. Tagantsev, Upper bounds for flexoelectric coefficients in ferroelectrics, Applied Physics Letters 104, 082913 (2014)

66. Marton P., Hlinka J. Simulation of domain patterns in BaTiO3 //Phase Transitions. - 2006. - T. 79. - №. 6-7. - C. 467-483.

67. H. T. Stokes, D. M. Hatch, and B. J. Campbell, Isotropy software suite, iso.byu.edu

68. Holakovsky J. A new type of the ferroelectric phase transition //physica status solidi (b). - 1973. - T. 56. - №. 2. - C. 615-619.

69. A. P. Levanyuk, I. B. Misirlioglu, and M. B. Okatan, Landau, Ginzburg, Devonshire and others, Ferroelectrics 569, 310 (2020)

70. Howard C. J., Stokes H. T. Group-theoretical analysis of octahedral tilting in perovskites //Acta Crystallographica Section B: Structural Science. - 1998. - T. 54. -№. 6. - C. 782-789.

71. Fan Z. et al. TEM investigation of the domain structure in PbHfO 3 and PbZrO 3 antiferroelectric perovskites //Journal of Materials Science. - 2020. - T. 55. -C. 4953-4961.

72. Vakhrushev S. B. Electric field control of antiferroelectric domain pattern / Vakhrus S. B., Andronikova D. A., Bronwald I., Koroleva E. Y., Tagantsev A. K., Chernyshov, D., Filimonov A. V., Udovenko S. A., Rudskoy A. I., Ishakawa D., Baron A. Q.,R., Bosak A., Leontiev I. N.// Physical Review B.— 2021.— Vol 103,no. 21.— P. 214108.

73. Tagantsev A. K., Cross L. E., Fousek J. Domains in ferroic crystals and thin films. - New York : Springer, 2010. - T. 13. - C. 822.

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

A1. Kniazeva M. A. et al. Highly mismatched antiferroelectric films: Transition order and mechanical state //Physical Review B. - 2023. - Т. 107. - №. 18. - С. 184113.

А2. Князева М. А. и др. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОФИЛЕЙ ДИФФУЗИОННОГО РАССЕЯНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИСТОГРАММНОГО МЕТОДА НОРМИРОВКИ РЕНТГЕНОВСКИХ ДИФРАКЦИОННЫХ СНИМКОВ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ //Неделя науки СПбПУ. - 2018. -С. 182-184.

A3. Kniazeva M. A., Ganzha A. E., Jankowska-Sumara I., Pasciak M., Majchrowski A., Filimonov A. V., Rudskoy A. I., Roleder K., Burkovsky R. G. Ferroelectric to incommensurate fluctuations crossover in PbHfO3- PbSnO3 //Physical Review B. -2022. - Т. 105. - №. 1. - С. 014101.

А4. Князева М. А. и др. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗОВОЙ ДИАГРАММЫ ГАФНАТА СВИНЦА В ПРОСТРАНСТВЕ ТЕМПЕРАТУРА-ДАВЛЕНИЕ //Неделя науки СПбПУ. - 2016. - С. 240-243.

A5. Knjazeva M., Bronwald Y., Andronikova D., Lityagin G., Bosak A., Parisiades P., Roleder K., Majchrowski A., Fotiadi A., Filimonov A. V., Burkovsky R. G.. Modulated Structures in PbHfO3 Crystals at High-Pressure-High-Temperature Conditions //Defect and Diffusion Forum. - Trans Tech Publications Ltd, 2018. - Т. 386. - С. 149-155.

A6. Князева М. А., Андроникова Д. А., Литягин Г. А., Бронвальд Ю. А., Parisiades P., Majchrowski A., Roleder K., Филимонов A. B., Бурковский Р. Г. Фазовые переходы в гафнате свинца в условиях высокого давления //Физика твердого тела. - 2019. - Т. 61. - №. 10. - С. 1806-1812.

A7. Kniazeva M. et al. Clarification of the Phase Diagram of PbHfO 3 in Pressure-temperature Space //2019 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). - IEEE, 2019. - С. 257-259.

А8. Князева М. А. и др. СТРУКТУРА ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ФАЗ В ТВЁРДОМ РАСТВОРЕ (1-x) PbHfO3-(x) PbSnO3 //НЕДЕЛЯ НАУКИ ИФНиТ. - 2020. - С. 106109.

A9. Lityagin G. A., Andronikova D. A., Bronwald Iu. A., Kniazeva M. A., Jankowski M., Carla F., Gao R., Dasgupta A., Filimonov A. V., Burkovsky R. G. (2018). Intermediate phase with orthorhombic symmetry displacement patterns in epitaxial PbZrO3 thin films at high temperatures. Ferroelectrics, 533(1), 26-34.