Negative Thermal Expansion in Hybrid Improper Ferroelectric Ruddlesden-Popper Perovskites by Symmetry Trapping

俘获 铁电性 凝聚态物理 材料科学 热膨胀 对称性破坏 对称(几何) 物理 量子力学 电介质 复合材料 数学 光电子学 几何学 生态学 生物
作者
Mark S. Senn,A. Bombardi,Claire A. Murray,C. Vecchini,A. Scherillo,Xuan Luo,Sang‐Wook Cheong
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:114 (3) 被引量:132
标识
DOI:10.1103/physrevlett.114.035701
摘要

We present new results on the microscopic nature of the ferroelectricity mechanisms in ${\mathrm{Ca}}_{3}{\mathrm{Mn}}_{2}{\mathrm{O}}_{7}$ and ${\mathrm{Ca}}_{3}{\mathrm{Ti}}_{2}{\mathrm{O}}_{7}$. To the first approximation, we confirm the hybrid improper ferroelectric mechanism recently proposed by Benedek and Fennie for these Ruddlesden-Popper compounds. However, in ${\mathrm{Ca}}_{3}{\mathrm{Mn}}_{2}{\mathrm{O}}_{7}$ we find that there is a complex competition between lattice modes of different symmetry which leads to a phase coexistence over a large temperature range and the ``symmetry trapping'' of a soft mode. This trapping of the soft mode leads to a large uniaxial negative thermal expansion (NTE) reaching a maximum between 250 and 350 K ($3.6\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}6}\text{ }\text{ }{\mathrm{K}}^{\ensuremath{-}1}$) representing the only sizable NTE reported for these and related perovskite materials to date. Our results suggest a systematic strategy for designing and searching for ceramics with large NTE coefficients.
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