PbTiO3 is a typical perovskite-type ferroelectric that shows unique negative thermal expansion (NTE) from room temperature to its Curie temperature (α¯V = −1.99 × 10−5 K−1, 300–763 K). It is widely accepted that enhanced NTE can be achieved in PbTiO3-based ferroelectrics by improving the tetragonality of PbTiO3 (c/a = 1.064) through chemical substitutions. Nevertheless, most substituted PbTiO3-based ferroelectrics exhibit reduced tetragonality and weakened NTE, while enhanced NTE has only been achieved in those materials with enhanced tetragonality so far. Herein, we report on (1 − x)PbTiO3-xBiAlO3 solid solutions for which we observe reduced tetragonality accompanied by an unusual enhanced NTE (c/a = 1.057, α¯V = −2.23 × 10−5 K−1, 300–740 K), without much degradation of the NTE temperature range of pristine PbTiO3 upon doping. The present study provides an example of unusual enhanced NTE accompanied by reduced tetragonality in PbTiO3-based perovskites, which will extend the scope of NTE in PbTiO3-based ferroelectrics and shed light on the understanding of enhanced NTE in PbTiO3 family.

1.
D. J.
Fisher
,
Negative Thermal Expansion Materials
(
Materials Research Forum LLC
,
2018
), p.
21
.
2.
K.
Takenaka
,
Sci. Technol. Adv. Mater.
13
,
013001
(
2012
).
3.
J.
Chen
,
L.
Hu
,
J. X.
Deng
, and
X. R.
Xing
,
Chem. Soc. Rev.
44
,
3522
(
2015
).
4.
T. A.
Mary
,
J. S. O.
Evans
,
T.
Vogt
, and
A. W.
Sleight
,
Science
272
,
90
(
1996
).
5.
M. V.
Schilfgaarde
,
I. A.
Abrikosov
, and
B.
Johansson
,
Nature
400
,
46
(
1999
).
6.
Y.
Song
,
J.
Chen
,
X.
Liu
,
C.
Wang
,
J.
Zhang
,
H.
Liu
,
H.
Zhu
,
L.
Hu
,
K.
Lin
,
S.
Zhang
, and
X.
Xing
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
602
(
2018
).
7.
K.
Lin
,
W.
Li
,
C.
Yu
,
S.
Jiang
,
Y.
Cao
,
Q.
Li
,
J.
Chen
,
M.
Zhang
,
M.
Xia
,
Y.
Chen
,
K.
An
,
X.
Li
,
Q.
Zhang
,
L.
Gu
, and
X.
Xing
,
Acta Mater.
198
,
271
(
2020
).
8.
Y. Y.
Zhao
,
F. X.
Hu
,
L. F.
Bao
,
J.
Wang
,
H.
Wu
,
Q. Z.
Huang
,
R.-R.
Wu
,
Y.
Liu
,
F.-R.
Shen
,
H.
Kuang
,
M.
Zhang
,
W.
Zuo
,
X.-Q.
Zheng
,
J.-R.
Sun
, and
B.-G.
Shen
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
1746
(
2015
).
9.
J.
Lin
,
P.
Tong
,
K.
Zhang
,
H.
Tong
,
X.
Guo
,
C.
Yang
,
Y.
Yu
,
M.
Wang
,
S.
Lin
,
L.
Chen
,
W.
Song
, and
Y.
Sun
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
241903
(
2016
).
10.
K.
Takenaka
and
H.
Takagi
,
Appl. Phys. Lett
87
,
261902
(
2005
).
11.
H.
Lu
,
Y.
Sun
,
S.
Deng
,
K.
Shi
,
L.
Wang
,
W.
Zhao
,
H.
Han
,
S.
Deng
, and
C.
Wang
,
J. Am. Ceram. Soc.
100
,
5739
(
2017
).
12.
B. K.
Greve
,
K. L.
Martin
,
P. L.
Lee
,
P. J.
Chupas
,
K. W.
Chapman
, and
A. P.
Wilkinson
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
15496
(
2010
).
13.
L.
Hu
,
F.
Qin
,
A.
Sanson
,
L.
Huang
,
Z.
Pan
,
Q.
Li
,
Q.
Sun
,
L.
Wang
,
F.
Guo
,
U.
Aydemir
,
Y.
Ren
,
C.
Sun
,
J.
Deng
,
G.
Aquilanti
,
J. M.
Rondinelli
,
J.
Chen
, and
X.
Xing
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
4477
(
2018
).
14.
D.
Wendt
,
E.
Bozin
,
J.
Neuefeind
,
K.
Page
,
W.
Ku
,
L.
Wang
,
B.
Fultz
,
A. V.
Tkachenko
, and
I. A.
Zaliznyak
,
Sci. Adv.
5
,
eaay2748
(
2019
).
15.
A. L.
Goodwin
,
M.
Calleja
,
M. J.
Conterio
,
M. T.
Dove
,
J. S. O.
Evans
,
D. A.
Keen
,
L.
Peters
, and
M. G.
Tucker
,
Science
319
,
794
(
2008
).
16.
Q.
Gao
,
J.
Wang
,
A.
Sanson
,
Q.
Sun
,
E.
Liang
,
X.
Xing
, and
J.
Chen
,
J. Am. Chem. Soc.
142
,
6935
(
2020
).
17.
T. F.
Qi
,
O. B.
Korneta
,
S.
Parkin
,
L. E.
De Long
,
P.
Schlottmann
, and
G.
Cao
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
177203
(
2010
).
18.
K.
Takenaka
,
Y.
Okamato
,
T.
Shinoda
,
N.
Katayama
, and
Y.
Sakai
,
Nat. Commun.
8
,
14102
(
2017
).
19.
M.
Azuma
,
W. T.
Chen
,
H.
Seki
,
M.
Czapski
,
S.
Olga
,
K.
Oka
,
M.
Mizumaki
,
T.
Watanuki
,
N.
Ishimatsu
,
N.
Kawamura
,
S.
Ishiwata
,
M. G.
Trucker
,
Y.
Shimakawa
, and
J. P.
Attfield
,
Nat. Commun.
2
,
347
(
2011
).
20.
T.
Nishikubo
,
Y.
Sakai
,
K.
Oka
,
T.
Watanuki
,
A.
Machida
,
M.
Mizumaki
,
K.
Maebayashi
,
T.
Imai
,
T.
Ogata
,
K.
Yokoyama
,
Y.
Okimoto
,
S.
Koshihara
,
H.
Hojo
,
T.
Mizokawa
, and
M.
Azuma
,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
19397
(
2019
).
21.
P.
Hu
,
J.
Chen
,
J.
Deng
, and
X.
Xing
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
1925
(
2010
).
22.
J.
Chen
,
K.
Nittala
,
J. S.
Forrester
,
J. L.
Jones
,
J.
Deng
,
R.
Yu
, and
X.
Xing
,
J. Am. Chem. Soc.
133
,
11114
(
2011
).
23.
Z.
Pan
,
J.
Chen
,
X.
Jiang
,
L.
Hu
,
R.
Yu
,
H.
Yamamoto
,
T.
Ogata
,
Y.
Hattori
,
F.
Guo
,
X. A.
Fan
,
Y.
Li
,
G.
Li
,
H.
Gu
,
Y.
Ren
,
Z.
Lin
,
M.
Azuma
, and
X.
Xing
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
14865
(
2017
).
24.
Z.
Pan
,
J.
Chen
,
R.
Yu
,
L.
Patra
,
P.
Ravindran
,
A.
Sanson
,
R.
Milazzo
,
A.
Carnera
,
L.
Hu
,
L.
Wang
,
H.
Yamamoto
,
Y.
Ren
,
Q.
Huang
,
Y.
Sakai
,
T.
Nishikubo
,
T.
Ogata
,
X. A.
Fan
,
Y.
Li
,
G.
Li
,
H.
Hojo
,
M.
Azuma
, and
X.
Xing
,
Chem. Mater.
31
,
1296
(
2019
).
25.
X.
Song
,
Z.
Sun
,
Q.
Huang
,
M.
Rettenmayr
,
X.
Liu
,
M.
Seyring
,
G.
Li
,
G.
Rao
, and
F.
Yin
,
Adv. Mater.
23
,
4690
(
2011
).
26.
Y. W.
Long
,
N.
Hayashi
,
T.
Saito
,
M.
Azuma
, and
Y.
Shimakawa
,
Nature
458
,
60
(
2009
).
27.
X.
Xing
,
J.
Deng
,
J.
Chen
, and
G.
Liu
,
Rare Metals
22
,
294
(
2003
).
28.
H.
Yamamoto
,
T.
Imai
,
Y.
Sakai
, and
M.
Azuma
,
Angew. Chem., Int. Ed.
57
,
8170
(
2018
).
29.
J.
Chen
,
X.
Xing
,
R.
Yu
, and
G.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
231915
(
2005
).
30.
J.
Chen
,
X.
Xing
,
G.
Liu
,
J.
Li
, and
Y.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
101914
(
2006
).
31.
J.
Chen
,
X.
Xing
,
R.
Yu
, and
G.
Liu
,
J. Am. Ceram. Soc.
88
,
1356
(
2005
).
32.
C.
Sun
,
Z.
Cao
,
J.
Chen
,
R.
Yu
,
X.
Sun
,
P.
Hu
,
G.
Liu
, and
X.
Xing
,
Phys. Status Solidi
245
,
2520
(
2008
).
33.
J.
Chen
,
X.
Tan
,
W.
Jo
, and
J.
Rödel
,
J. Appl. Phys.
106
,
034109
(
2009
).
34.
G.
Burns
and
B. A.
Scott
,
Phys. Rev. Lett.
25
,
167
(
1970
).
35.
G.
Burns
and
B. A.
Scott
,
Phys. Rev. B
7
,
3088
(
1973
).
36.
Z.
Pan
,
X.
Jiang
,
J.
Chen
,
L.
Hu
,
H.
Yamamoto
,
L. X.
Zhang
,
L. L.
Fan
,
X. A.
Fan
,
Y. W.
Li
,
G. Q.
Li
,
Y.
Ren
,
Z. S.
Lin
,
M.
Azuma
, and
X. R.
Xing
,
Inorg. Chem. Front.
5
,
1277
(
2018
).
37.
J.
Chen
,
X. R.
Xing
,
R. B.
Yu
,
G. R.
Liu
,
J. H.
Li
, and
Y. T.
Liu
,
J. Appl. Phys.
100
,
074106
(
2006
).
38.
S. Y.
Kuo
,
C. T.
Li
, and
W. F.
Hsieh
,
Appl. Phys. Lett.
81
,
3019
(
2002
).
39.
C.
Sun
,
J. G.
Wang
,
P. H.
Hu
,
M. J.
Kim
, and
X. R.
Xing
,
Dalton Trans.
39
,
5183
(
2010
).
40.
J.
Chen
,
X.
Xing
,
C.
Sun
,
P.
Hu
,
R.
Yu
,
X.
Wang
, and
L.
Li
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
1144
(
2008
).
41.
T.
Yang
,
K.
Lin
,
Q.
Li
,
Y.
Wang
,
L.
Gu
,
N.
Wang
,
J.
Deng
,
J.
Chen
, and
X.
Xing
,
Inorg. Chem. Front.
7
,
1284
(
2020
).
42.
T.
Yang
,
Y.
Wang
,
L.
Fan
,
N.
Wang
,
K.
Lin
,
J.
Chen
, and
X.
Xing
,
J. Phys. Chem. C
124
,
20445
(
2020
).
43.
J.
Chen
,
F.
Wang
,
Q.
Huang
,
L.
Hu
,
X.
Song
,
J.
Deng
,
R.
Yu
, and
X.
Xing
,
Sci. Rep.
3
,
2458
(
2013
).
45.
Y.
Kuroiwa
,
S.
Aoyagi
,
A.
Sawada
,
J.
Harada
,
E.
Nishibori
,
M.
Takata
, and
M.
Sakata
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
217601
(
2001
).
You do not currently have access to this content.