证明V体育介电材料表现出压电性和铁电性 - 提出了一种导致压电性和铁电性的新机制 -

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摘要

₂O₄，该材料在室温下成为压电材料^注意1）和铁电体^注意2）和这样的介电性^注意3）发生在原子水平。
组成公式为R铁₂O₄（R是稀土元素或第13族元素In（铟）的氧化物，被称为V体育电介质，因为铁离子的电荷分布被认为控制其介电性能，特别是R是铁电物质Lu（镥）的化合物。随后，其他研究小组发表论文，基于实验和理论计算否定了该化合物的铁电性。从那时起，这种化合物的固有介电特性一直存在争议，但尚无定论。
　这次，该研究小组研究了类似的化合物，TmFe₂O₄的单晶并使用 X 射线和压电响应显微镜分析单晶的结构^注意4）等的测量，我们证明了该化合物在室温下表现出压电性和铁电性。此外，我们发现起源是V体育在铁离子中的局域化和铥（Tm）离子的位移。这导致R铁₂O₄介电性能的争议。未来，我们希望开发出使用类似机制的新材料，成为铁电体和压电体，并将这些材料应用到开关和存储器等实用器件中。
　该研究成果于2023年7月12日（美国东部标准时间）发表在《美国物理学会国际杂志》上。

图TmFe₂O₄晶体中出现铁电性和压电性的机制

１．背景

钛酸钡（BaTiO₃) 和锆钛酸铅 (Pb(Zr,Ti)O₃，缩写为PZT）为代表的铁电体和压电体作为电容器、执行器、传感器等广泛应用于日常生活中。在这些化合物中，在高温下Ti⁴⁺YaZr⁴⁺存在于被六个氧离子包围的正八面体的中心，正负电荷的重心重合，导致电荷的偏置（即电偶极矩^注意5）) 不存在。然而，当温度降低时，这些离子的V体育构型就变成原点和Ti⁴⁺YaZr⁴⁺偏离正八面体的重心，同时八面体也向该方向拉伸，产生电偶极矩。晶体中的钛⁴⁺YaZr⁴⁺都偏向同一方向，因此这些化合物具有很大的自发极化^注意6）将会出现。这就是铁电性和压电性的起源。
　另一方面，一系列氧化物是本研究的主题R铁₂O₄由两个由铁离子组成的二维层（称为 W 层）组成，如图 1 所示。R它具有一种晶体结构，其中一层二维离子层规则地堆叠。这里，二价和三价铁离子的数量相等，同时铁离子排列在三角形对称的平面上，因此不存在如图2(a)所示的稳定的离子排列。这称为电荷挫败。同时铁离子具有磁矩^注意7），并且由于这些磁相互作用作用方向相反，因此磁矩的排列没有稳定的结构，如图2(b)所示。这称为磁挫败。

　　　

　

　　

图 1：RFe₂O₄的晶体结构图2：(a)充电挫折和(b)磁力挫败

　

　随着温度的降低，电荷分布和磁矩排列呈现出一种规则的结构，但在这种情况下，如图3所示，两个相邻的铁离子层（W层）之一是Fe³⁺过量，另一个是Fe²⁺过量时，磁能变得最低。在这种结构中，两个铁离子层相对带正电和负电，在它们之间产生电偶极矩。 2005 年，有人提出，当所有这些元素面向同一方向排列时，就会出现铁电性。₂O₄打造这与在钛酸钡和锆钛酸铅中观察到的铁电机制完全不同，从此LuFe₂O₄相关物质现在被称为V体育电介质或V体育铁电体，因为它们的铁电性被认为源自铁离子中V体育的定位和分布。
　另一方面，基于各种实验和理论计算，LuFe₂O₄中的铁离子层之间形成了电偶极矩，但它们在不同的W层之间指向相反的方向，因此有人认为稳定相是反铁电的而不是铁电的，并且提出了一种模型，其中电荷分布看起来不像图3所示的那样。R铁₂O₄的基本介电特性，尚未确定哪种解释是正确的。

图3：铁离子层的电荷分布

２．研究方法/结果

　在这项研究中R铁₂O₄TmFe₂O₄进行了单晶合成、结构分析、介电常数测量和理论计算。为了测量介电特性，我们使用压电响应显微镜来检查施加恒定直流电场时晶体的变形和介电极化方向。我们通过改变电场强度来进行这些测量，并获得如图 4 所示的结果，该结果显示了介电极化方向、晶体应变和电场之间的关系。在这两个图中都可以看到环路，这是铁电性和压电性的证据。
另外，在结构分析中，单晶X射线衍射^注意8），会聚V体育衍射^注意9）之类的测量，晶体显示出反演对称性^注意10）撕裂厘米的存在，并阐明了铁离子层（W层）中的电荷态分布。
　根据这些实验结果，二价和三价铁离子的电荷分布（局域V体育分布）为Tm³⁺我们提出了一个模型，其中铁电性由于与离子位移的相关性而稳定，这两者都导致电偶极矩的规则排列。另外，激光干涉仪^注意11），我们还成功地确定了压电常数的值，压电常数是压电性的指标。这样，TmFe₂O₄我们能够证明单晶在室温下变成压电和铁电材料，并在原子水平上阐明其机制。实验得出的结论基于密度泛函理论^注意12）计算介电相的能量也支持了这一点。
此外，我们发现，当对这种晶体施加强电场时，局域V体育的有序状态被破坏，晶体变得无序，导致压电性和铁电性消失，相反，发生导电，并且这种现象根据电场的强度可逆地发生。类似的现象还有LuFe₂O₄中观察到电场引起的电导率的巨大变化，但这是第一次发现电场引起的铁电导体相变。

图4：电场与电介质极化方向（上图）和应变（下图）之间的关系

3。连锁反应，未来计划

全部R铁₂O₄TmFe，不是一种V体育介电材料₂O₄虽然只是25472_25517|，但通过清楚地表明这种化合物既是压电的又是铁电的R铁₂O₄介电性能的争议已部分解决。未来，类似的介电特性将应用于其他R铁₂O₄，即 LuFe₂O₄YFe₂O₄等中观察到，并阐明一系列V体育电介质的基本介电特性及其发生的机制。此外，可以使用其他元素合成具有相似晶体结构的氧化物，因此固溶体^注意13）。此外，我想考虑这种铁电材料的潜在实际应用。例如，由于电状态根据电场而发生显着变化，并且由于状态的变化是由V体育的快速运动引起的，因此它可以用于可以快速读写的高速开关和存储器。

4。关于研究项目

这项研究的部分内容得到了 JSPS 科学研究补助金 21H04619 和 21K03431 的支持。

术语表

注意1：压电材料是指当施加电场时晶体膨胀和收缩，导致变形，或者当施加应力时，电荷偏置并发生介电极化的材料。在日常生活中，它们有多种用途，包括麦克风、扬声器、电吉他、时钟振荡器、点火装置、喷墨打印机和安全气囊。

注意2：铁电体是压电材料的一种（见注1），是一种具有自发极化（见注6）且可通过外部电场改变方向的物质。它主要用作电容器的材料，电容器是存储电荷的装置。

注意3：当对固体物质施加电场时，由于V体育的运动，金属和其他材料中会发生导电，但在某些氧化物中，不会发生导电，并且离子的位置发生移动或V体育与原子核的相对位置发生变化，从而导致正负电荷之间的偏置。这种性质称为介电性，表现出介电性的物质称为电介质。

注意4：压电响应显微镜是一种测量微观区域介电特性的设备。将样品放置在扁平电极上，使兼作电极的探针与样品表面接触，在探针和下电极之间施加电场，以检测样品的介电响应如何变化。

注意5：一对大小相同但符号不同的点电荷称为电偶极子，电荷的大小为q，电荷之间的距离d，起点为负电荷，终点为正电荷的向量d电偶极矩是qd定义

注意6：单位体积的电偶极矩之和称为介电极化，不施加外部电场而自发形成的介电极化称为自发极化。

注意7：磁矩是与电偶极矩相对应的物理量，与电偶极矩一样，它表示为矢量。电偶极矩在其周围产生电场，而磁矩则在其周围产生磁场。你可以把它想象成一个极细的条形磁铁，有北极和南极，从南极到北极的矢量与磁矩的方向相匹配。

注意8：当波在太空中传播时，如果传播方向有障碍物，波会在其后面缠绕并扩散。这种现象称为衍射。 X射线是电磁波的一种，当它们进入晶体时，会被原子衍射。单晶X射线衍射是一种利用X射线衍射现象来阐明单晶（由一个晶体组成的一个固体块组成的物质）结构的方法。

注意9：V体育既是粒子又是波，就像X射线一样，它们表现出晶体中原子的衍射。会聚V体育衍射是一种将V体育束缩小并照射到晶体中10 nm以下的微观区域，在圆盘状区域中绘制衍射V体育的图像，并通过图像分析来估计晶体的对称性的方法。

注意10：在笛卡尔坐标上(x、y、z) 给出的点 P 以原点为中心，点 Q(-x，-y，-z)的操作称为反转操作。此时的原点称为反转中心，为线段PQ的中点。当一个物体被倒置时，如果结果与原始结构相同，则称该物体具有倒置对称性。另一方面，如果物体的方向改变，则该物体不具有反转对称性。此外，除非晶体结构缺乏反演对称性，否则晶体不能是压电或铁电材料。

注意11：如果将激光照射到物体上并分析反射光和入射光之间的干涉，则可以准确估计从激光光源到物体的距离。由于压电材料的体积根据电场而变化，因此可以使用激光干涉来测量基于压电响应的晶体的膨胀和收缩。基于此原理的测量装置称为激光干涉仪。

注意12：它是一种基于量子力学从理论上计算材料中V体育行为的方法，通过求解V体育密度满足的方程来计算V体育的能量和动量。

注意13：溶液是其中溶解了固体或气体的液体，而固溶体是其中溶解了不同类型的固体的固体。例如，NaCl（氯化钠）和KCl（氯化钾）都是具有岩盐型结构的晶体，但当少量KCl溶解在NaCl中时，部分钠离子被钾离子取代，形成稳定的晶体结构。这样的物质称为固溶体。

<研究员评论>
本研究中研究的氧化物晶体结构相对复杂，虽然它们是电介质，但它们也具有导电性，因此很难用宏观测量方法证明其铁电性。通过从多种角度研究这种化合物，包括设计介电响应检测方法和理论计算，并综合考虑结果，我们能够结束争议并发现铁电性表现的新机制。我们希望利用这一成果来开发新型铁电材料。 （田中克久）

论文标题和作者

标题：V体育电介质 TmFe 的铁电性、压电性和晶体结构的确认₂O₄(V体育介质TmFe₂O₄)
作者：Shinya Konishi、Daisuke Urushihara、Tatsuya Hayakawa、Koichiro Fukuda、Toru Asaka、Koji Ishii、Noriaki Naoda、Mari Okada、Hirofumi Akamatsu、Hajime Hojo、Masaki Azuma 和 Katsuhisa Tanaka
发表于：物理评论 B
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