Комплексный показатель преломления титаната стронция в терагерцовом диапазоне частот
https://doi.org/10.32362/2500-316X-2019-7-4-71-80
Аннотация
Современное развитие терагерцовой спектроскопии во временной области (THz-TDS) позволяет проводить более точные и достоверные измерения диэлектрических свойств по сравнению с традиционной инфракрасной спектроскопией с использованием некогерентного источника света. Широкополосная THz-TDS является мощным инструментом для определения действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости при прохождении ТГц-излучения, которая позволяет определять параметры мягких мод в сегнетоэлектриках. В данной работе методом терагерцовой спектроскопии с временным разрешением исследована зависимость комплексного показателя преломления монокристаллического квантового параэлетрика титаната стронция в терагерцовом диапазоне частот от 0.3 до 1.3 ТГц. Показано, что низкочастотный терагерцовый отклик материала обусловлен доминированием мягкой фононной моды TO1. Измеренные экспериментальные зависимости показали хорошее сходство с теоретическими кривыми, полученными из анализа модели осциллятора Лоренца для комплексной диэлектрической проницаемости титаната стронция. Результаты работы важны для понимания принципиальной возможности возбуждения параметра порядка в сегнетоэлектрических материалах и могут быть использованы для создания энергоэффективных устройств памяти со скоростью записи информации, близкой к теоретическому пределу.
При поддержке: Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 18-32-00487).
Об авторах
В. Р. Билык
ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет» (РТУ МИРЭА)
Россия
Россия
аспирант кафедры наноэлектроники Физико-технологического института ; стажер-исследователь специализированной учебно-научной лаборатории сверхбыстрой динамики ферроиков кафедры наноэлектроники ФТИ
119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Scopus Author ID: 57194048515
ResearcherID: N-9662-2015, https://orcid.org/
К. А. Гришунин
ФГБОУ ВО «МИРЭА – Российский технологический университет» (РТУ МИРЭА)
Россия
Россия
аспирант кафедры наноэлектроники Физико-технологического института
Scopus Author ID: 56968091600
ResearcherID: Q-1005-2017
119454, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Список литературы
1. Barker A.S., Tinkham M. Far-infrared ferroelectric vibration mode in SrTiO3 // Phys. Rev. 1962. V. 125. № 5. P. 1527–1530. https://doi.org/10.1103/PhysRev.125.1527
2. Spitzer W.G., Miller R.C., Kleinman D.A., Howarth L.E. Far infrared dielectric dispersion in BaTiO3, SrTiO3, and TiO2 // Phys. Rev. 1962. V. 126. № 5. P. 1710–1721. https://doi.org/10.1103/PhysRev.126.1710
3. Ostapchuk T., Petzelt J., Železný V., Pashkin A., Pokorný J., Drbohlav I., Kužel R., Rafaja D., Gorshunov B.P., Dressel M., Ohly C., Hoffmann-Eifert S., Waser R. Origin of soft-mode stiffening and reduced dielectric response in SrTiO3 thin films // Phys. Rev. B. 2002. V. 66. № 23. P. 235406-12. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.235406
4. Fedorov I., Železn V., Petzelt J., Trepakov V., Jelínek M., Trtík V., Čer&ňansk M., Studni&ccaron. Farinfrared spectroscopy of a SrTiO3 thin film // Ferroelectrics. 1998. V. 208–209. № 1. P. 413–427. https://doi.org/10.1080/00150199808014890
5. Müller K.A., Burkard H. SrTiO3: An intrinsic quantum paraelectric below 4 K // Phys. Rev. B. 1979. V. 19. № 7. P. 3593–3602. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.19.3593
6. Bellingeri E., Pellegrino L., Marré D., Pallecchi I., Siri A.S. All-SrTiO3 field effect devices made by anodic oxidation of epitaxial semiconducting thin films // J. Appl. Phys. 2003. V. 94. № 9. P. 5976–5981. https://doi.org/10.1063/1.1613373
7. Saifi M.A., Cross L.E. Dielectric properties of strontium titanate at low temperature // Phys. Rev. B. 1970. V. 2. № 3. P. 677–684. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.2.677
8. Wang Z., Cao M., Yao Z., Zhang Q., Song Z., Hu W., Xu Q., Hao H., Liu H., Yu Z. Giant permittivity and low dielectric loss of SrTiO3 ceramics sintered in nitrogen atmosphere // J. Eur. Ceram. Soc. 2014. V. 34. № 7. P. 1755–1760. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2014.01.015
9. Tagantsev A.K., Sherman V.O., Astafiev K.F., Venkatesh J., Setter N. Ferroelectric materials for microwave tunable applications // J. Electroceramics. 2003. V. 11. № 1/2. P. 5–66. https://doi.org/10.1023/B:JECR.0000015661.81386.e6
10. Weaver H.E. Dielectric properties of single crystals of SrTiO3 at low temperatures // J. Phys. Chem. Solids. 1959. V. 11. № 3–4. P. 274–277. https://doi.org/10.1016/0022-3697(59)90226-4
11. Lippmaa M., Nakagawa N., Kawasaki M., Ohashi S., Inaguma Y., Itoh M., Koinuma H. Step-flow growth of SrTiO3 thin films with a dielectric constant exceeding 104 // Appl. Phys. Lett. 1999. V. 74. № 23. P. 3543–3545. https://doi.org/10.1063/1.124155
12. Jorel C., Vallée C., Gonon P., Gourvest E., Dubarry C., Defay E. High performance metal-insulatormetal capacitor using a SrTiO3/ZrO2 bilayer // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 94. № 25. P. 253502-3. https://doi.org/10.1063/1.3158951
13. Hou C., Huang W., Zhao W., Zhang D., Yin Y., Li X. Ultrahigh energy density in SrTiO3 film capacitors // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. № 24. P. 20484–20490. http://dx.doi.org/10.1021/acsami.7b02225
14. Sirenko A.A., Bernhard C., Golnik A., Clark A.M., Hao J., Si W., Xi X.X. Soft-mode hardening in SrTiO3 thin films // Nature. 2000. V. 404. № 6776. P. 373–376. http://dx.doi.org/10.1038/35006023
15. Skoromets V., Kadlec F., Kadlec C., Němec H., Rychetsky I., Panaitov G., Müller V., Fattakhova-Rohlfing D., Moch P., Kužel P. Tuning of dielectric properties of SrTiO3 in the terahertz range // Phys. Rev. B. 2011. V. 84. № 17. P. 174121-10. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.174121
16. Wu L., Jiang L., Sheng Q., Ding X., Yao J. Optical tuning of dielectric properties of SrTiO3:Fe in the terahertz range // Opt. Lett. 2013. V. 38. № 14. P. 2581–2583. https://doi.org/10.1364/OL.38.002581
17. Kužel P., Kadlec F., Němec H., Ott R., Hollmann E., Klein N. Dielectric tunability of SrTiO3 thin films in the terahertz range // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 88. № 10. P. 102901-3. https://doi.org/10.1063/1.2183370
18. Mantsch H.H., Naumann D. Terahertz spectroscopy: The renaissance of far infrared spectroscopy // J.Mol. Struct. 2010. V. 964. № 1–3. P. 1–4. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2009.12.022
19. van Exter M., Fattinger C., Grischkowsky D. Terahertz time-domain spectroscopy of water vapor // Opt. Lett. 1989. V. 14. № 20. P. 1128–1130. https://doi.org/10.1364/OL.14.001128
20. Grischkowsky D., Keiding S., van Exter M., Fattinger C. Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors // J. Opt. Soc. Am. B. 1990. V. 7. № 10. P. 2006–2015. https://doi.org/10.1364/JOSAB.7.002006
21. Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology // Nat. Photonics. 2007. V. 1. № 2. P. 97–105. https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.3
22. Ferguson B., Zhang X.-C. Materials for terahertz science and technology // Nat. Mater. 2002. V. 1. № 1. P. 26–33. https://doi.org/10.1038/nmat708
23. Nilsen W.G., Skinner J.G. Raman Spectrum of Strontium Titanate // J. Chem. Phys. 1968. V. 48. № 5. P. 2240–2248. https://doi.org/10.1063/1.1669418
24. Han J., Wan F., Zhu Z., Zhang W. Dielectric response of soft mode in ferroelectric SrTiO3 // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. № 3. P. 031104. https://doi.org/10.1063/1.2431448
25. Misra M., Kotani K., Kawayama I., Murakami H., Tonouchi M. Observation of TO1 soft mode in SrTiO3 films by terahertz time domain spectroscopy // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 87. № 18. P. 182909. https://doi.org/10.1063/1.2128039
26. Tkach A., Vilarinho P.M., Kholkin A.L., Pashkin A., Veljko S., Petzelt J. Broad-band dielectric spectroscopy analysis of relaxational dynamics in Mn-doped SrTiO3 ceramics // Phys. Rev. B. 2006. V. 73. № 10. P. 104113–7. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.73.104113
27. Kittel C. Introduction to Solid State Physics. 7th ed. New York: Wiley, 1975. 688 р.
28. Khaber L., Beniaiche A., Hachemi A. Electronic and optical properties of SrTiO3 under pressure effect: Ab initio study // Solid State Commun. 2014. V. 189. P. 32–37. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2014.03.018
29. Verma A., Raghavan S., Stemmer S., Jena D. Ferroelectric transition in compressively strained SrTiO3 thin films // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 107. № 19. P. 192908. https://doi.org/10.1063/1.4935592
30. Tikhomirov O., Jiang H., Levy J. Local Ferroelectricity in SrTiO3 Thin Films // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. № 14. P. 147601–4. http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.147601
31. Kumar A.S., Suresh P., Kumar M.M., Srikanth H., Post M.L., Sahner K., Moos R., Srinath S. Magnetic and ferroelectric properties of Fe doped SrTiO3-δ films // J. Phys. Conf. Ser. 2010. V. 200. № 9. P. 092010-4. https://doi.org/10.1088/1742-6596/200/9/092010
32. Valdmanis J., Mourou G. Subpicosecond electrooptic sampling: Principles and applications // IEEE J. Quantum Electron. 1986. V. 22. № 1. P. 69–78. https://doi.org/10.1109/JQE.1986.1072867
33. Nahata A., Auston D.H., Heinz T.F., Wu C. Coherent detection of freely propagating terahertz radiation by electro-optic sampling // Appl. Phys. Lett. 1996. V. 68. № 2. P. 150–152. https://doi.org/10.1063/1.116130
34. Jepsen P.U., Cooke D.G., Koch M. Terahertz spectroscopy and imaging – Modern techniques and applications // Laser Photon. Rev. 2011. V. 5. № 1. P. 124–166. https://doi.org/10.1002/lpor.201000011
35. Jepsen P.U., Fischer B.M. Dynamic range in terahertz time-domain transmission and reflection spectroscopy // Opt. Lett. 2005. V. 30. № 1. P. 29–31. https://doi.org/10.1364/OL.30.000029
36. Kuzmany H. The Dielectric Function. In: Solid-State Spectroscopy. Springer, 1998. P. 101–120. https://doi.org/10.1007/978-3-662-03594-8
Дополнительные файлы
|
|
1. Рис. 1. Схематическое изображение экспериментальной установки и принципа электрооптического детектирования ТГц-излучения. Сплошными черными линиями обозначена поляризация изначально падающего зондирующего излучения, пунктиром – во время воздействия ТГц- | |
| Тема | ||
| Тип | Research Instrument | |
Посмотреть
(167KB)
|
Метаданные ▾ | |
Рецензия
Для цитирования:
Билык В.Р., Гришунин К.А. Комплексный показатель преломления титаната стронция в терагерцовом диапазоне частот. Russian Technological Journal. 2019;7(4):71-80. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2019-7-4-71-80
For citation:
Bilyk V.R., Grishunin K.A. Complex Refractive Index of Strontium Titanate in the Terahertz Frequency Range. Russian Technological Journal. 2019;7(4):71-80. (In Russ.) https://doi.org/10.32362/2500-316X-2019-7-4-71-80
Просмотров:
1246
Послать статью по эл. почте 