圧電応答顕微鏡によるPMN-PT単結晶ドメイン構造の長時間緩和現象の観察

摘要

Pb(Mg{sub}(1/3)Nb{sub}(2/3)O{sub}3 (PMN)をはじめとする強誘電体リラクサについて、リラクサ特性と呼ばれている特異な性質をマイクロドメインという観点から説明しようとする試みが続けられている。 ここでいう特異な性質、すなわちリラクサ特性とは、数万といった大きな誘電率や巨大圧電効果、キュリー温度近傍における誘電率ピークのブロード化と周波数分散、高温まで続く自発分極の緩慢な変化である。このようなリラクサ特性を統合的に説明するモデルはいまだに確立されていないが、Bサイトイオンの分布の局所的なゆらぎによる不均一な結晶場とその影響により形成されるマイクロドメインに関係があると考えられている。 このマイクロドメインについては、これまでに中性子粉末構造解析、EXAFS、X線散慢散乱などの結晶構造解析の手法を用いて調べられることが多かった。 そこで我々は、このマイクロドメインの実空間上のイメージをつかみそのダイナミックスを理解するために、原子間力顕微鏡(atomic force microscope: AFM)を応用した圧電応答顕微鏡(piezoresponse force microscope: PFM)によるPMN-PT単結晶のドメイン構造観察を試みてきた。 PFMは、分解能では透過型電子顕微鏡(transmission electron microscope: TEM)に劣るものの、180°ドメインの観察に有力であり、TEMとは異なる情報が得られると期待できる。また、TEMより簡便に取り扱うことができるという利点もある。 しかし、圧電応答顕微鏡では観察時に電界を印加するため、一般的な強誘電体のドメインと比較して不安定なマイクロドメインの観察では、ドメイン構造が変化してしまうという問題があった。 今回我々は、この問題を克服するために検出感度を向上させた接触共振圧電応答顕微鏡(contact resonance PFM: CR-PFM)を開発し、キュリー点以上の温度において、低温側で見られたμmスケールのドメイン構造とは異なる数十nm程度のより微細なパターンを観察することに成功した。 さらにキュリー点以上の温度処理時に、降温速度によりこの微細パターンが変化することも見出したので報告する。