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Reconciling Local Structure Disorder and the Relaxor State in (Bi1/2Na1/2)TiO3-BaTiO3

Groszewicz, Pedro B. ; Gröting, Melanie ; Breitzke, Hergen ; Jo, Wook ; Albe, Karsten ; Buntkowsky, Gerd ; Rödel, Jürgen (2023)
Reconciling Local Structure Disorder and the Relaxor State in (Bi1/2Na1/2)TiO3-BaTiO3.
In: Scientific Reports, 2016, 6 (1)
doi: 10.26083/tuprints-00018896
Artikel, Zweitveröffentlichung, Verlagsversion

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Kurzbeschreibung (Abstract)

Lead-based relaxor ferroelectrics are key functional materials indispensable for the production of multilayer ceramic capacitors and piezoelectric transducers. Currently there are strong efforts to develop novel environmentally benign lead-free relaxor materials. The structural origins of the relaxor state and the role of composition modifications in these lead-free materials are still not well understood. In the present contribution, the solid-solution (100-x)(Bi1/2Na1/2)TiO3-xBaTiO3 (BNT-xBT), a prototypic lead-free relaxor is studied by the combination of solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, dielectric measurements and ab-initio density functional theory (DFT). For the first time it is shown that the peculiar composition dependence of the EFG distribution width (ΔQISwidth) correlates strongly to the dispersion in dielectric permittivity, a fingerprint of the relaxor state. Significant disorder is found in the local structure of BNT-xBT, as indicated by the analysis of the electric field gradient (EFG) in 23Na 3QMAS NMR spectra. Aided by DFT calculations, this disorder is attributed to a continuous unimodal distribution of octahedral tilting. These results contrast strongly to the previously proposed coexistence of two octahedral tilt systems in BNT-xBT. Based on these results, we propose that considerable octahedral tilt disorder may be a general feature of these oxides and essential for their relaxor properties.

Typ des Eintrags: Artikel
Erschienen: 2023
Autor(en): Groszewicz, Pedro B. ; Gröting, Melanie ; Breitzke, Hergen ; Jo, Wook ; Albe, Karsten ; Buntkowsky, Gerd ; Rödel, Jürgen
Art des Eintrags: Zweitveröffentlichung
Titel: Reconciling Local Structure Disorder and the Relaxor State in (Bi1/2Na1/2)TiO3-BaTiO3
Sprache: Englisch
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Publikationsdatum der Erstveröffentlichung: 2016
Verlag: Springer Nature
Titel der Zeitschrift, Zeitung oder Schriftenreihe: Scientific Reports
Jahrgang/Volume einer Zeitschrift: 6
(Heft-)Nummer: 1
Kollation: 11 Seiten
DOI: 10.26083/tuprints-00018896
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/18896
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Herkunft: Zweitveröffentlichungsservice
Kurzbeschreibung (Abstract):

Lead-based relaxor ferroelectrics are key functional materials indispensable for the production of multilayer ceramic capacitors and piezoelectric transducers. Currently there are strong efforts to develop novel environmentally benign lead-free relaxor materials. The structural origins of the relaxor state and the role of composition modifications in these lead-free materials are still not well understood. In the present contribution, the solid-solution (100-x)(Bi1/2Na1/2)TiO3-xBaTiO3 (BNT-xBT), a prototypic lead-free relaxor is studied by the combination of solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, dielectric measurements and ab-initio density functional theory (DFT). For the first time it is shown that the peculiar composition dependence of the EFG distribution width (ΔQISwidth) correlates strongly to the dispersion in dielectric permittivity, a fingerprint of the relaxor state. Significant disorder is found in the local structure of BNT-xBT, as indicated by the analysis of the electric field gradient (EFG) in 23Na 3QMAS NMR spectra. Aided by DFT calculations, this disorder is attributed to a continuous unimodal distribution of octahedral tilting. These results contrast strongly to the previously proposed coexistence of two octahedral tilt systems in BNT-xBT. Based on these results, we propose that considerable octahedral tilt disorder may be a general feature of these oxides and essential for their relaxor properties.

ID-Nummer: 31739
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-188967
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Nichtmetallisch-Anorganische Werkstoffe
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio)
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio) > Sonderforschungsbereiche
07 Fachbereich Chemie
07 Fachbereich Chemie > Eduard Zintl-Institut
07 Fachbereich Chemie > Eduard Zintl-Institut > Fachgebiet Physikalische Chemie
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio) > Sonderforschungsbereiche > SFB 595: Elektrische Ermüdung
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio) > Sonderforschungsbereiche > SFB 595: Elektrische Ermüdung > B - Charakterisierung
DFG-Sonderforschungsbereiche (inkl. Transregio) > Sonderforschungsbereiche > SFB 595: Elektrische Ermüdung > B - Charakterisierung > Teilprojekt B9: Charakterisierung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen elektrischer Funktionsmaterialien mit Festkörper-NMR-Verfahren
Hinterlegungsdatum: 11 Jul 2023 11:37
Letzte Änderung: 01 Aug 2024 09:03
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