Local Fe and Nb contributions to the intrinsic polarization of Pb(Fe0.5Nb0.5)O3 revealed by the geometrical polarization approach
Contribuições locais de Fe e Nb para a polarização intrínseca de Pb(Fe₀,₅Nb₀,₅)O₃ reveladas pela abordagem da polarização geométrica
Autores:
- V.F. Freitas *
- Mahmoud S. Alkathy
- J.A. Eiras
- L.F. Cótica*
- I.A. Santos*
* Pesquisadores NAPI EZC
Publicado 27 de agosto de 2026
Abstract
In this paper, the spontaneous polarization of the Pb(Fe0.5Nb0.5)O3 (PFN) multiferroic compound is determined by using the Geometrical Polarization Approach (GPA), a semi-empirical method to obtain spontaneous polarization from refined crystallographic data. Two distinct unit cells were analyzed: a conventional tetragonal unit cell (P4mm) with statistical Fe/Nb occupancy at the perovskite B-site, and an expanded supercell composed of eight stacked unit cells refined in the triclinic P1 space group, allowing an explicit description of Fe and Nb atomic positions within the supercell. While both approaches yield comparable Rietveld refinement quality, the conventional unit cell significantly underestimated the spontaneous polarization (∼2.3 μC/cm2). In contrast, the supercell revealed distinct local polarization contributions from Fe and Nb. The global polarization calculated from the supercell structure (∼2.9 μC/cm2) differs from that obtained using the statistically averaged conventional cell, indicating the importance of the structural details in the polarization determination. Electron-density mapping further revealed distinct local electronic environments around Fe and Nb, suggesting different dipole asymmetries that are consistent with their different polarization contributions. These results support the GPA as an effective tool to resolve intrinsic structural polarization features in chemically disordered perovskites and offer insights into the structure–property relationships in multifunctional ferroelectric materials.
Resumo
Neste artigo, a polarização espontânea do composto multiferróico Pb(Fe₀,₅Nb₀,₅)O₃ (PFN) é determinada utilizando a Abordagem da Polarização Geométrica (Geometrical Polarization Approach – GPA), um método semiempírico empregado para obter a polarização espontânea a partir de dados cristalográficos refinados. Foram analisadas duas células unitárias distintas: uma célula unitária tetragonal convencional (*P*4*mm*), com ocupação estatística de Fe/Nb no sítio B da perovskita, e uma supercélula expandida composta por oito células unitárias empilhadas, refinada no grupo espacial triclínico *P*1, permitindo uma descrição explícita das posições atômicas de Fe e Nb dentro da supercélula. Embora ambas as abordagens apresentem qualidade comparável no refinamento de Rietveld, a célula unitária convencional subestimou significativamente a polarização espontânea (∼2,3 μC/cm²). Em contraste, a supercélula revelou contribuições distintas de polarização local provenientes de Fe e Nb. A polarização global calculada a partir da estrutura da supercélula (∼2,9 μC/cm²) difere daquela obtida utilizando a célula convencional estatisticamente média, indicando a importância dos detalhes estruturais na determinação da polarização. O mapeamento da densidade eletrônica revelou ainda ambientes eletrônicos locais distintos ao redor de Fe e Nb, sugerindo diferentes assimetrias dipolares, que são consistentes com suas diferentes contribuições para a polarização. Esses resultados corroboram a GPA como uma ferramenta eficaz para identificar características intrínsecas da polarização estrutural em perovskitas quimicamente desordenadas e fornecem informações sobre as relações estrutura–propriedade em materiais ferroelétricos multifuncionais.
Essa pesquisa
contribui para as seguintes ODS:
