电介质迷思-(14)弛豫再入

       根据我们从经典电介质物理或铁电物理教科书中获得的知识，随着温度下降，铁电体会在居里点发生铁电相变，由中心对称的非极性点群转变为非中心对称的极性点群。这时，从宏观性能上看，材料的介电常数温谱上会出现尖锐或弥散的介电常数峰以及相应的介电损耗异常峰值。而极化强度随温度下降，会在居里温度(T_c)非连续增加至一有限值(二级铁电相变)，或在居里温度之上某一温度(T₁)开始连续增加，当温度下降至居里点以下某一温度(T₀)时趋于饱和值(一级铁电相变)。

而如果在实验中获得图1所示的极化强度-温度曲线[1]，难免会让人诧异与迷惑，甚至会怀疑实验是否出了问题。极化强度怎么会随温度下降逐渐增加至最大値(P_max)之后又连续降低呢？最新研究表明，这其实是弛豫铁电体中常见的物理现象 - relaxor re-entrant behavior (弛豫再入)。

图 1 (引自文献1)

铁电体的弛豫再入现象最早在BaTiO₃-BiScO₃固溶体中得到系统研究[1-4]。在这一固溶体系中，除了图1所示的反常极化强度-温度曲线外，还在居里点以下出现另一具有明显频率色散特征的低温介电异常(或曰低温介电弛豫)[1-4]。由于其复杂的结构特征，弛豫再入现象在充满型钨青铜铁电体中表现得更为普遍[5,6]。充满型钨青铜之铁电序主要来自氧八面体中心的B位离子位移，而铁电序会受到A1/A2位离子的有序无序、氧八面体的公度/非公度倾转以及B位离子有序/无序等三个方面的干扰，会在铁电相变点之下出现1~3个低温介电弛豫。

“弛豫再入”这一概念源自对铁磁自旋玻璃态动力学过程的描述[7-10]，在这里磁化强度于自旋玻璃点以下趋于下降，铁磁态重新向无序相转化。由于各向异性随机场中复杂的自旋玻璃动力学，玻璃相变温度依赖于外加磁场[7,9]。最近关于钙钛矿与钨青铜弛豫铁电体的研究，借用上述自旋玻璃态的“弛豫再入”概念，很好地描述与分析了居里点之下的低温介电弛豫与反常极化强度-温度曲线。

对于铁电体弛豫再入的物理图象，不妨做如下大致的描述。在非均匀体系中，伴随着铁电相变，会产生长程铁电序与宏观铁电畴(或铁电畴的长大)，而当温度继续下降至某一特征温度T_m时，由于成分涨落引起的微观结构调制等原因，会重新扰乱铁电序，产生极性微畴，使得铁电态向无序相演化，从而导致居里点以下的低温介电弛豫与反常极化强度-温度曲线。

 弛豫再入无疑是铁电物理与铁电材料领域值得研究的重要课题。而值得思考的是；1)什么样的铁电体会出现弛豫再入？2)是否所有弛豫铁电体都有弛豫再入现象？2)某些多铁性材料之反常极化强度-温度曲线与弛豫再入有何关联？......

参考文献

1)      S. S. N. Bharadwaja, J. R. Kim, H. Ogihara, L. E. Cross, S. Trolier-McKinstry, and C. A. Randall, Phys. Rev. B 83, 024106 (2011).

2)      L. Chao, G. Y. Zuo, J. Phys.: Condens. Matter 20, 232201 (2008).

3)      H. Ogihara, C. A. Randall, and S. Trolier-Mckinstry, J. Am. Ceram. Soc. 92, 110 (2009).

4)      S. S. N. Bharadwaja, S. Trolier-McKinstry, L. E. Cross, and C. A. Randall, Appl. Phys. Lett. 100, 022906 (2012).

5)      K. Li, X.L. Zhu, X.Q.Liu and X.M. Chen, Appl. Phys. Lett., 102, 112912 (2013).

6)      K. Li, X.L. Zhu, X.Q. Liu and X.M. Chen, J. Appl. Phys., 144, 044106 (2013).

7)      D. Sherrington, and S. Kirkpatrick, Phys. Rev. Lett. 35, 1792 (1975).

8)      W. M. Saslow, and G. Parker, Phys. Rev. Lett. 56, 1074 (1986).

9)      W. M. Saslow, Phys. Rev. B 35, 3454 (1987).

10)  K. Jonason, J. Mattsson, and P. Nordblad, Phys. Rev. Lett. 77, 2562 (1996).