Relaxační feroelektrika

Relaxační feroelektrika jsou látky, které vykazují vysokou permitivitu a frekvenčně závislé maximum v její teplotní závislosti. To připomíná frekvenčně závislý feroelektrický fázový přechod, přestože tyto systémy zůstávají makroskopicky paraelektrické až do nulové absolutní teploty. Protože pevné roztoky relaxačních feroelektrik s jinými feroelektriky mají obrovskou piezoelektrickou odezvu, jsou tyto materiály intenzivně studované. Pochopení jejich chování umožní vylepšení piezoelektrických vlastností i budoucí náhradu olovnatých piezoelektrik bezolovnatými materiály, které jsou šetrnější k životnímu prostředí. Naše širokopásmová dielektrická spektroskopie se používá pro popis širokých a silných dielektrických relaxací, což umožňuje pochopit dynamiku polárních nanooblastí v relaxorech. Naše nedávná analýza THz a IČ spekter olovnatých relaxačních feroelektrik pomocí Bruggemanovy formule pro modelování efektivního prostředí vysvětlila Curie-Weissovo chování vysokoteplotní permitivity a odhalila strukturní fázový přechod v polárních nanooblastech při teplotách T*=350-450 K (T* závisí na chemickém složení), tedy při teplotách nad maximem permitivity. Zkoumali jsme olovnatá relaxační feroelektrika Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃ (PMN), Pb(Mg_1/3Ta_2/3)O₃ (PMT), (Pb_1-xLa_x)Zr_0.65Ti_0.35O₃ (PLZT), piezoelektrický Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃–PbTiO₃ (PMN-PT) i bezolovnaté relaxory Sr_1-xBa_xNb₂O₆ (SBN), (Na_1/2Bi_1/2)TiO₃ (NBT), 0.5Ba(Ti_0.8Zr_0.2)O₃-0.5(Ba_0.7Ca_0.3)TiO₃, Ba(Zr_xTi_1-x)O₃ (BZT) atd. Tato studia vyžadují dielektrická měření v co nejširším frekvenčním oboru, podrobná strukturní měření (včetně difůzního rentgenového a neutronového rozptylu) i měření fononů pomocí IČ, ale také Ramanovy spektroskopie a nepružného neutronového a rentgenového rozptylu. Proto se na tomto výzkumu podílí čtyři výzkumné skupiny z našeho oddělení (kromě nás i THz skupina, skupina neelastického rozptylu světla a neutronů i teoretická skupina). Synergie této spolupráce je velmi důležitá.

Popis

(a) IČ vodivost polárních nanooblastí v Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 při vybraných teplotách. Čárkované a spojité křivky značí odezvu A1 a E symetrie.
(b) Dielektrický příspěvek měkkého módu E symetrie vysvětluje Curie-Weissovo chování reciproké permitivity v relaxačních feroelektrikách Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 a Pb(Mg1/3Ta2/3)O3.

[1] S. Kamba et al., Dielectric dispersion of the relaxor PLZT ceramics in the frequency range 20 Hz – 100 THz,  J. Phys. Condens. Matter 12, 497 (2000).

[2] J. Hlinka et al., Origin of the „Waterfall“ Effect in Phonon Dispersion of Relaxor Perovskites, Phys. Rev. Letters 91, 107602 (2003).

[3] V. Bovtun et al., Grain Size Influence on Dynamics of Polar Nanoclusters in PMN-35%PT Ceramics: Broadband Dielectric and Infrared Spectra, Phys. Rev. B 79, 104111 (2009).

[4] Buixaderas et al., Fast polarization mechanisms in the uniaxial tungsten-bronze relaxor strontium barium niobate SBN-81, Sci. Rep. 7, 18034 (2017).

[5] D. Nuzhnyy et al., Infrared, terahertz and microwave spectroscopy of the soft and central modes in Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃. Phys. Rev. B 96, 174113 (2017).

[6] E. Buixaderas et al., Dynamics of mesoscopic polarization in uniaxial tetragonal tungsten-bronze (Sr_xBa_1-x)Nb₂O₆, Phys. Rev. B 100, 184113 (2019).

[7] D. Nuzhnyy, J. Petzelt, V. Bovtun, S. Kamba, J. Hlinka, Soft mode driven local ferroelectric transition in lead-based relaxors, Appl. Phys. Lett. 114, 182901 (2019).