Experimental Band Structure of Pb(Zr,Ti)O3: Mechanism of Ferroelectric Stabilization

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作者
Dana Georgeta Popescu,Marius-Adrian Husanu,Procopios Constantinou,Lucian Dragoş Filip,Lucian Trupină,Cristina Ioana Bucur,Iuliana Pasuk,Cristina Chirilă,Luminiţa Hrib,Viorica Stancu,L. Pintilie,Thorsten Schmitt,Cristian M. Teodorescu,Vladimir N. Strocov
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:10 (6) 被引量:8
标识
DOI:10.1002/advs.202205476
摘要

Abstract Pb(Zr,Ti)O 3 (PZT) is the most common ferroelectric (FE) material widely used in solid‐state technology. Despite intense studies of PZT over decades, its intrinsic band structure, electron energy depending on 3D momentum k, is still unknown. Here, Pb(Zr 0.2 Ti 0.8 )O 3 using soft‐X‐ray angle‐resolved photoelectron spectroscopy (ARPES) is explored. The enhanced photoelectron escape depth in this photon energy range allows sharp intrinsic definition of the out‐of‐plane momentum k and thereby of the full 3D band structure. Furthermore, the problem of sample charging due to the inherently insulating nature of PZT is solved by using thin‐film PZT samples, where a thickness‐induced self‐doping results in their heavy doping. For the first time, the soft‐X‐ray ARPES experiments deliver the intrinsic 3D band structure of PZT as well as the FE‐polarization dependent electrostatic potential profile across the PZT film deposited on SrTiO 3 and La x SrMn 1− x O 3 substrates. The negative charges near the surface, required to stabilize the FE state pointing away from the sample (P+), are identified as oxygen vacancies creating localized in‐gap states below the Fermi energy. For the opposite polarization state (P−), the positive charges near the surface are identified as cation vacancies resulting from non‐ideal stoichiometry of the PZT film as deduced from quantitative XPS measurements.

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