본 연구 논문에서는 BaTiO3(BT), BaxSr1-xTiO3(BST), (Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3(BCTZ) 세 가지 종류의 BaTiO3 기반 강유전체에서 산소 공공(VO)의 역할에 대해 심층적으로 분석하고 있습니다. 연구진은 다양한 산소 결핍 조건과 에이징 시간에 따른 샘플의 복소 영률을 측정하여 VO의 거동과 그에 따른 강유전체 특성 변화를 조사했습니다.
산소 공공의 이동 및 응집: 연구진은 탄성 에너지 손실 측정을 통해 상유전 상태에서 VO의 점프 및 VO 쌍의 재배향에 의한 피크를 확인했습니다. 이러한 현상은 VO의 이동성과 관련된 도메인 클램핑, 고정, 피로 현상 등을 제어하는 중요한 요소입니다.
도메인 벽 고정: 강유전 상태에서 VO가 도입됨에 따라 도메인 벽 이동으로 인한 손실 감소는 VO에 의한 도메인 벽 고정 정도를 나타냅니다. 즉, VO가 증가할수록 도메인 벽의 움직임이 제한되어 강유전체의 특성에 영향을 미치게 됩니다.
큐리 온도(TC)의 이력 의존성: BT 및 BST에서 VO의 도입은 TC를 감소시킬 뿐만 아니라 강유전 상태에서의 에이징 시간에 따라 TC가 변화하는 현상을 보입니다. 특히 BST에서는 최대 21K까지 TC 변화가 관찰되었습니다.
전자 도핑 및 TC의 상관관계: VO는 Ti3+ 이온 형태로 전자를 도핑하여 TC를 감소시키는 주요 원인이 됩니다. 그러나 VO가 안정적인 선형 VO-Ti2+-VO 쌍을 형성하면 Ti2+의 두 전자가 이동성 전자에서 제거되어 도핑 효과가 감소합니다.
에이징에 따른 TC 변화 메커니즘: 초기 에이징 동안 TC가 증가하는 것은 VO의 점진적인 응집으로 설명됩니다. VO가 응집되면 전자 도핑 효과가 감소하여 TC가 증가하게 됩니다. 그러나 수년간 에이징이 지속되면 TC가 감소하는데, 이는 VO의 가장 안정적인 위치가 90° 도메인 벽에 존재하기 때문입니다. 시간이 지남에 따라 도메인 내부에 응집된 VO는 90° 벽을 따라 분리되어 도핑을 증가시키고 TC를 감소시킵니다.
BCTZ의 에이징 부재 현상: BCTZ에서는 쌍 재배향 및 쌍 결합 에너지가 높기 때문에 에이징 효과가 나타나지 않습니다. 상온에서 거의 모든 VO는 쌍을 이루고 수백 년 동안 정적인 상태를 유지하기 때문에 BCTZ는 피로에 대한 내성이 우수합니다.
본 연구는 BaTiO3 기반 강유전체에서 산소 공공의 거동과 그에 따른 강유전체 특성 변화를 심층적으로 분석했습니다. 특히 VO의 이동성, 응집, 도메인 벽과의 상호 작용이 TC 변화에 미치는 영향을 규명하고, BCTZ에서 에이징 효과가 나타나지 않는 이유를 설명했습니다. 이러한 연구 결과는 강유전체 소재의 성능 향상 및 새로운 소자 개발에 중요한 기초 정보를 제공할 것으로 기대됩니다.
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ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญจาก
by Francesco Co... ที่ arxiv.org 10-14-2024
https://arxiv.org/pdf/2410.08767.pdfสอบถามเพิ่มเติม