Spatial distribution of the B-site inhomogeneity in an Pb(InNb)O single crystal studied by a complementary use of X-ray and neutron scatterings

X線・中性子線散乱を相補利用した Pb(InNb)O単結晶のB-site不均一の空間分布の研究

大和田 謙二; 廣田 和馬*; 寺内 暉*; 大和 英弘*; 安田 直彦*

Owada, Kenji; Hirota, Kazuma*; Terauchi, Hikaru*; Owa, Hidehiro*; Yasuda, Naohiko*

今回われわれはas-grown Pb(InNb)O(PIN)についてのX線・中性子散乱実験を行った。as-grown PINは既に大和らによって、その結晶内部の秩序度の大きなばらつきの存在が報告されている。X線と中性子線ではその透過率が違うため、その相補利用により表面からバルクまでの構造的情報を得ることができる。われわれは、室温においてPINからのフォノンブランチの観測に初めて成功した。その振る舞いは強誘電的と考えられる。また、逆空間をスキャンすることによって、反強誘電起源の(h/4, k/4, 0)反射を観測した。分解能に迫る半値幅を有することからマクロな反強誘電領域の存在が示唆される。一方、同じ結晶でX線散乱実験を行うとブラッグ散乱の裾に強い散漫散乱が観測された。リラクサー状態であるときに現れるこの特徴的な散漫散乱はプロファイルや温度変化が野村らの報告と矛盾しない。われわれの用いたX線(0.71)ではPIN結晶の表層数十ミクロンしか観測できないため、as-grown PIN結晶の表層はリラクサー的であることがわかった。このようなmulti-structureともいうべき結晶内部の構造分布はPb(ZnNb)Oなどでも既に報告されており、リラクサーの特徴の一つと言えるのではないか。

Structural properties of Pb(InNb)O (PIN) single crystals at room temperature (RT) were investigated by X-ray and neutron scattering techniques, taking much account of the difference in the penetration depth and spatial resolution of X-rays and those of neutrons. A strong diffuse scattering was observed by X-ray while h/4, k/4, 0 superlattice reflections were found by neutron, indicating a relaxor state in the outer-layer of the crystal and an antiferroelectric (AFE) state in the bulk. The phonon dispersion was measured for the first time for the PIN series. Two transverse optic (TO1 and TO2) modes were clarified near the zone center though neither water-fall behavior nor folding of phonon branches was confirmed. We have thus concluded that a major part of the PIN crystal at RT is ferroelectric (FE). These results imply that the -site chemical ordering, i.e. inhomogeneity, which controls the structural properties of PIN, is unevenly distributed throughout the crystal. We speculate that small AFE grains coexist with the FE matrix while the outer-layer is in a relaxor state in the PIN.