Tieftemperaturphasen und Phasenübergänge von Pyrochlor-Verbindungen
Final Report Abstract
Im Rahmen des Forschungsprojektes ist es gelungen grundlegende Zusammenhänge zwischen der Kristallstruktur von Cd2Nb207, einem Oxid aus der Gruppe der Pyrochlore, und seinen ferroelektrischen Eigenschaften herzustellen. Wie in vielen anderen ferroelektrischen Oxiden, spielen auch hier die speziellen Eigenschaften des Übergangsmetalls Nb eine wichtige Rolle für die Entstehung der spontanen und durch Anlegen äusserer elektrischer Felder umkehrbaren elektrischen Polarisation. Die Polarisation beruht darauf, dass Nb mit einem oder mehreren der unmittelbar umgebenden Sauerstoffatome eine festere Bindung eingeht als mit den anderen. Die daraus resultierende lokale Verschiebung der Nb-Atome setzt sich in der Kristallstruktur über große Distanzen fort, so dass hneare Ketten aus gleichsinnig verschobenen Atomen entstehen. Bei Raumtemperatur treten solche Ketten dynamisch mit gleicher Wahrscheinlichkeit in sechs verschiedenen Richtungen bzw. deren Gegenrichtungen auf, so dass sich keine meßbare Polarisation der Kristalle einstellt. Für das Auftreten des ferroelektrischen Zustandes bedarf es einer grundlegenden Änderung: Wenn Cd2Nb207 unter 204 K abkühlt, durchläuft es eine erste Phasenumwandlung, die dazu führt, dass von den sechs möglichen Richtungen lokaler Polarisation nur zwei zueinander senkrecht stehende bestehen bleiben. Auch in dieser Phase kann sich keine nennenswerte spontane Polarisation einstellen, weil die Verschiebung der Nb-Atome entlang individueller Ketten nach wie vor spontanen Richtungswechseln unterworfen ist. Eine dreidimensionale, einheitliche Polarisation erfolgt erst im Zuge einer zweiten Phasenumwandlung bei ca. 195 K. Bei dieser Phasenumwandlung sind die Atome zusätzlichen, globalen Auslenkungen unterworfen, die aus dem Enfrieren einer bestimmten Gitterschwingung resultieren. Unter dem Einfluß dieser globalen Auslenkungen stellt sich im Modell spontane Polarisation der Kristallstruktur ein, deren Größenordnung mit den experimentellen Literaturdaten gut übereinstimmt. Die resultierende Kristallstruktur ist jedoch nicht vollständig geordnet, da entlang einer speziellen Richtung antiparallel polarisierte Ketten aus ausgelenkten Nb-Atomen erhalten bleiben. Diese verbleibende Unordnung bietet eine Erklärungsmöghchkeit für die ungewöhnlichen dielektrischen Eigenschaften von Cd2Nb207 im Temperaturbereich unterhalb 195 K.
Publications
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T Malcherek
