Structure and phase transitions in niobium and tantalum derived nanoscale transition metal perovskites, Ba(Ti,MV)O3, M=Nb,Ta

材料科学 钙钛矿(结构) 晶体结构 相变 结晶学 相(物质) 过渡金属 拉曼光谱 凝聚态物理 化学 光学 物理 生物化学 催化作用 有机化学 冶金
作者
Julien Lombardi,Long Yang,Nasim Farahmand,Anthony Ruffino,Ali Younes,Jonathan E. Spanier,Simon J. L. Billinge,Stephen O’Brien
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:160 (13)
标识
DOI:10.1063/5.0192488
摘要

The prospect of creating ferroelectric or high permittivity nanomaterials provides motivation for investigating complex transition metal oxides of the form Ba(Ti, MV)O3, where M = Nb or Ta. Solid state processing typically produces mixtures of crystalline phases, rarely beyond minimally doped Nb/Ta. Using a modified sol-gel method, we prepared single phase nanocrystals of Ba(Ti, M)O3. Compositional and elemental analysis puts the empirical formulas close to BaTi0.5Nb0.5O3−δ and BaTi0.5Ta0.5O3−δ. For both materials, a reversible temperature dependent phase transition (non-centrosymmetric to symmetric) is observed in the Raman spectrum in the region 533–583 K (260–310 °C); for Ba(Ti, Nb)O3, the onset is at 543 K (270 °C); and for Ba(Ti, Ta)O3, the onset is at 533 K (260 °C), which are comparable with 390–393 K (117–120 °C) for bulk BaTiO3. The crystal structure was resolved by examination of the powder x-ray diffraction and atomic pair distribution function (PDF) analysis of synchrotron total scattering data. It was postulated whether the structure adopted at the nanoscale was single or double perovskite. Double perovskites (A2B′B″O6) are characterized by the type and extent of cation ordering, which gives rise to higher symmetry crystal structures. PDF analysis was used to examine all likely candidate structures and to look for evidence of higher symmetry. The feasible phase space that evolves includes the ordered double perovskite structure Ba2(Ti, MV)O6 (M = Nb, Ta) Fm-3m, a disordered cubic structure, as a suitable high temperature analog, Ba(Ti, MV)O3Pm-3m, and an orthorhombic Ba(Ti, MV)O3Amm2, a room temperature structure that presents an unusually high level of lattice displacement, possibly due to octahedral tilting, and indication of a highly polarized crystal.
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