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Local structure analysis of BaTiO$$_3$$ modulated by Mn substitution

Mn添加による変調を受けたチタン酸バリウムの局所構造解析

米田 安宏; 小原 真司*; 野口 祐二*; 宮山 勝*

Yoneda, Yasuhiro; Kohara, Shinji*; Noguchi, Yuji*; Miyayama, Masaru*

積層型セラミッックコンデンサとして広く用いられている強誘電体材料のチタン酸バリウム(BaTiO$$_3$$)は特性向上のための添加物ドーピングが研究されている。特にマンガン(Mn)はBaTiO$$_3$$の特性を大きく向上させる添加物として重要である。しかしながらMnは酸素欠損などの周囲の状況によって、その働きが大きく異なるため、Mn添加効果を正しく評価することは困難であった。しかしながら近年、酸素空孔がコントロール可能な作成法が実現し、Mnの添加効果を正確に評価できるサンプルが入手できるようになった。そこで、BaTiO$$_3$$にドープされたMnの価数をX-ray absorption fine structure (XAFS)を用いて決定し、添加物効果がもたらす構造変化を2体相関分布関数法を用いて検討した。その結果、MnはTiと同じ4価でドープされMn添加は局所構造に大きな影響を与えていることがわかった。

Barium titanate (BaTiO$$_3$$) with a high dielectric constant is widely used in the production of ceramic capacitors. However, during sintering large numbers of ionized oxygen vacancies and conduction electrons are created. Doping with manganese is one of several ways to confine the electrons to a small region. In Mn-doped BaTiO$$_3$$ there exist three valence states for the manganese ions, Mn$$^{2+}$$, Mn$$^{3+}$$, and Mn$$^{4+}$$. The Mn$$^{4+}$$ is nearly exactly incorporated into Ti$$^{4+}$$ sites and participates in the collective motion in the lattice. We performed local structure analysis by using atomic pair-distribution function (PDF) and X-ray absorption fine structure (XAFS). Figure 1 shows the obtained PDFs for pure BaTiO$$_3$$ and 0.5%-Mn-doped BaTiO$$_3$$. All data collected at room temperature. Two obtained PDF patterns are well in agreement. Mn doping has hardly affected local structure.

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