Dynamics of lattice disorder in perovskite materials, polarization nanoclusters and ferroelectric domain wall structures

Abstract

Spojitost mezi klasickou feroelektricitou a strukturou perovskitových materiálů se odvíjí od konceptu mřížkové neuspořádanosti. Ačkoli uspořádané perovskity vykazují krátkodobé posuny centrálních kationtů kolem jejich rovnovážných bodů, mřížková neuspořádanost se dynamicky vyvíjí a vytváří nesčetné množství deformovaných kosočtverečných mřížek charakterizovaných přeskakováním centrálních kationtů ve směrech <111>. Zjistilo se, že mřížková neuspořádanost koreluje se vznikem minimálních konfiguračních energií <100> drah centrálních kationtů, což vede k prostorově modulovaným ultrarychlým polarizačním uspořádáním nanoklastrů, které jsou stabilizovány elektrickými nábojovými defekty v materiálu. Prostřednictvím analýz rozptylu fononů s vysokým rozlišením zahrnujících simulace molekulární dynamiky (MD) a teorie funkcionálu hustoty (DFT) poskytujeme jednoznačné důkazy spojující přeskakování centrálních kationtů s rozvojem difúzních měkkých fononových módů pozorovaných v průběhu fázových přechodů perovskitu. Prostřednictvím rozsáhlých MD simulací odhalujeme vliv mřížkové neuspořádanosti na struktury doménových stěn při konečné teplotě ve vztahu ke kolektivní aktivaci a deaktivaci <100> drah. Naše simulace dále ukazují vývoj hierarchických nanostruktur s morfotropní fázovou hranicí (MPB) pod kombinovaným vlivem externě aplikovaného tlaku a relaxace napětí, charakterizovaných náhlým vznikem klikatých monoklinických uspořádání, která zahrnují dvojí <111> posun centrálních kationtů. Tato zjištění mají význam pro přizpůsobení MPB v tenkovrstvých strukturách a pro světlem indukovanou mobilizaci DW. Závěrem jsou naznačeny cesty ke zkoumání mřížkové neuspořádanosti prostřednictvím postupné aplikace smykové deformace.