[論文レビュー] Metastable behavior of Urbach tail states in BaTiO3 across phase transition

Vikash Mishra, Archna Sagdeo+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2016

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、テトラゴナル相から立方相への相転移を経るBaTiO3における力学的不安定なUrbach尾状状態を、温度依存性拡散反射分光法を用いて調査した。相転移付近で時間に依存するUrbachエネルギー（EU）の変化が観察され、動的な電子的不均一性を示しており、Tc付近でEU(t=0)/EU(tm)比が低下する傾向を示しており、電子的不規則性とソフトフォノンモードとの結合を示唆している。

ABSTRACT

The temperature dependent diffuse reflectance spectroscopy measurements were carried out on the polycrystalline samples of BaTiO3 across the tetragonal to cubic structural phase transition temperature. The values of various optical parameters such as band gap (Eg), Urbach energy (EU) and Urbach focus (E0) are estimated in the range of 300 K to 470K. It is observed that near structural phase transition temperatures there exists two value of E0, suggesting presence of electronic heterogeneity over wide temperature range. Further near transition temperature EU shows metastability i.e. value of EU at temperature T is not constant but is a function of time (t). Interestingly it is observed that the ratio of EU(t=0)/ EU(t = tm), is almost remains constant at 295 K (pure tetragonal phase) and at 450 K (pure cubic phase), whereas this ratio shows decreasing behavior close to structural phase transition temperature, which confirms the presence of electronic metastibility in the pure BaTiO3. The observed metastibility can be fitted with the stretch exponents relaxation behavior, suggesting the presence of dynamic heterogeneous electronic disorder present in the sample across the transition. Further it appears that these metastable Urbach tail states (electronic disorder) may couple with the soft phonon modes and responsible for the observed terahertz dielectric relaxation (Phys. Rev. Lett. 101, 167402 (2008)). Further; present studies suggest that the optical studies appear to be more sensitive to probe the disorder/heterogeneity present in the sample.

研究の動機と目的

• BaTiO3の構造的相転移付近における電子的不規則性および不均一性を解明すること。
• 相転移を経る間のUrbach尾状パラメータの温度および時間依存性を調査すること。
• 力学的不安定な電子状態が誘電率緩和現象と相関しているかどうかを特定すること。
• 他の手法と比較して、光学分光法が電子的不規則性を検出する感度が如何に高いかを評価すること。

提案手法

• 300 K から 470 K の温度範囲で、多結晶BaTiO3試料に対して温度依存性拡散反射分光法を実施した。
• 反射率データから、バンドギャップ（Eg）、Urbachエネルギー（EU）、Urbach焦点エネルギー（E0）の光学的パラメータを抽出した。
• 特に相転移付近で、固定温度下におけるEUの時間発展を分析した。
• 力学的不安定性を検出するため、温度関数としての比EU(t=0)/EU(tm)を評価した。
• 観察された緩和挙動をスケール指数モデルでフィッティングし、動的不均一性を特徴づけた。
• 先行文献を基に、電子的不規則性とソフトフォノンモード、およびテラヘルツ帯域の誘電率緩和を関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BaTiO3におけるテトラゴナル相から立方相への相転移に伴い、Urbach尾状パラメータ（EUおよびE0）はどのように変化するか？
• RQ2 Urbachエネルギーは相転移付近で時間に依存する挙動を示すか？ これは力学的不安定性を示唆するか？
• RQ3 比EU(t=0)/EU(tm)の温度依存性は何か？ これにより電子的ダイナミクスに何が明らかになるか？
• RQ4 観察された力学的不安定な挙動は、スケール指数緩和モデルで記述可能か？
• RQ5 電子的不規則性（Urbach尾状状態）とBaTiO3におけるソフトフォノンモードとの間に相関があるか？

主な発見

• 相転移付近で、2つの異なるUrbach焦点エネルギー（E0）の値が観察され、広い温度範囲にわたる電子的不均一性を示した。
• Urbachエネルギー（EU）は相転移温度付近で時間に依存する挙動を示し、力学的不安定な電子状態の存在を確認した。
• EU(t=0)/EU(tm)比は、295 K（テトラゴナル相）および450 K（立方相）でほぼ一定であったが、相転移付近で顕著に低下した。
• EUの力学的不安定な緩和挙動は、スケール指数モデルで良好にフィッティングされ、動的不均一な電子的不規則性を示した。
• 観察された電子的力学的不安定性は、Urbach尾状状態とソフトフォノンモードの間の結合を示唆しており、テラヘルツ帯域の誘電率緩和と整合的であった。
• 光学分光法は電子的不規則性に対して極めて感度が高く、BaTiO3における不均一性の検出において、他の手法を上回ることを示した。