[논문 리뷰] Metastable behavior of Urbach tail states in BaTiO3 across phase transition

Vikash Mishra, Archna Sagdeo외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 20.

Ferroelectric and Piezoelectric Materials인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 다이아몬드-정방형 상전이 동안 BaTiO3 내의 비정상 상태인 Urbach 尾 상태를 온도 의존성 산산분산 반사도 스펙트로스코피를 사용하여 조사한다. 상전이 근처에서 시간에 따라 변화하는 Urbach 에너지(EU)를 규명하여 동적인 전자적 이질성을 시사하며, Tc 근처에서 EU(t=0)/EU(tm) 비율이 감소함을 통해 전자적 불규칙성과 소프트 격자모드 간의 결합을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• BaTiO3의 구조적 상전이 근처에서 전자적 불규칙성과 이질성을 탐색하기 위해.
• 상전이 동안 온도 및 시간 의존성의 Urbach 尾 파arameter를 조사하기 위해.
• 비정상 상태 전자 상태가 유전율 리듬현상과 관련이 있는지 확인하기 위해.
• 기타 방법들과 비교하여 광학 스펙트로스코피가 전자적 불규칙성을 감지하는 민감도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 300 K에서 470 K까지의 온도 범위에서 다결정 BaTiO3 시료에 대해 온도 의존성 산산분산 반사도 스펙트로스코피를 수행하였다.
• 반사도 데이터로부터 밴드 갭(Eg), Urbach 에너지(EU), 그리고 Urbach 집중 에너지(E0) 등의 광학적 파라미터를 추출하였다.
• 특히 상전이 근처에서 고정된 온도에서 EU의 시간적 변화를 분석하였다.
• 비정상 상태를 탐지하기 위해 온도 함수로 EU(t=0)/EU(tm) 비율을 평가하였다.
• 관측된 리듬현상 행동을 스트레칭 지수 모델로 피팅하여 동적 이질성을 특성화하였다.
• 이전 문헌을 바탕으로 전자적 불규칙성과 소프트 격자모드, 테라헤르츠 유전율 리듬현상 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BaTiO3에서 정방형-다이아몬드 상전이 동안 Urbach 尾 파arameter(EU 및 E0)는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 Urbach 에너지는 상전이 근처에서 시간에 따라 변화하는가? 이는 비정상 상태를 시사하는가?
• RQ3 EU(t=0)/EU(tm) 비율의 온도 의존성은 무엇이며, 전자적 동역학에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ4 관측된 비정상 상태 행동은 스트레칭 지수 리듬현상 모델로 설명될 수 있는가?
• RQ5 BaTiO3에서 전자적 불규칙성(Urbach 尾 상태)과 소프트 격자모드 사이에 연관성이 있는가?

주요 결과

• 상전이 근처에서 두 개의 상이한 E0 값이 관측되어 넓은 온도 범위에서 전자적 이질성이 존재함을 시사한다.
• Urbach 에너지(EU)는 상전이 온도 근처에서 시간에 따라 변화하는 행동을 보이며, 비정상 상태 전자 상태의 존재를 확인한다.
• EU(t=0)/EU(tm) 비율은 295 K(정방형 상)와 450 K(다이아몬드 상)에서 거의 일정하지만, 상전이 근처에서 크게 감소한다.
• EU의 비정상 상태 리듬현상 행동은 스트레칭 지수 모델로 잘 피팅되어 동적 이질성을 가진 전자적 불규칙성을 나타낸다.
• 관측된 전자적 비정상 상태는 Urbach 尾 상태와 소프트 격자모드 간의 결합을 시사하며, 테라헤르츠 유전율 리듬현상과 일치한다.
• 광학 스펙트로스코피는 전자적 불규칙성 감지에 매우 민감하며, BaTiO3에서 이질성을 탐지하는 데 다른 방법들보다 뛰어난 성능을 보였다.