R3c to P4bm phase transition assisted small to large polaron crossover in sodium bismuth titanate-based ferroelectrics

极化子 凝聚态物理 材料科学 四方晶系 相(物质) 铁电性 相变 电导率 带隙 电介质 化学 电子 物理 物理化学 量子力学 有机化学 光电子学
作者
Koyal Suman Samantaray,Dilip Sasmal,P. Maneesha,Somaditya Sen
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:136 (22) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0224323
摘要

Sodium bismuth titanate (NBT) reveals a rhombohedral (R3c) phase at room temperature. Ferroelectricity reduces with the advent of a tetragonal (P4bm) phase at the depolarization temperature, Td ∼ 456 K. AC conductivity (σac) studies exposed a small-to-large polaron transition at Td. Barrier energy (WH) was ∼1.60 eV at T < Td for the small polarons in the R3c phase, which drastically reduced to ∼0.043 eV with the advent of the P4bm phase for the large polarons for T > Td. This is associated with the sharp rise in conductivity for T > Td. Ab initio calculations consider the electronic distortion due to oxygen vacancies, which creates trap states in the band structure. The energy gap (ΔE) between the trap states and the conduction band was ∼1.4 eV (R3c) and ∼0.2 eV (P4bm). These values are comparable to the experimental WH. The P4bm phase is more distorted than the R3c phase from charge density and structural distortion calculations. This indicates the formation of large polarons in the P4bm phase, compared to that of small polarons in R3c. The formation energy of the polaron (Epolaron) was calculated from the structural distortion and electron localization energies. The P4bm phase shows lower Epolaron (−0.26 eV) than R3c (−0.36 eV), indicating higher conductivity for the P4bm phase. NBT was chemically modified by adding BCZT to validate the small to large polaronic crossover at Td. This is discussed in light of σac measurements. WH decreased with BCZT incorporation, thereby increasing the conductivity. This is a consequence of the increased lattice distortion due to BCZT incorporation.
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