Fyzikální ústav Akademie věd ČR

We focus on study of dielectric spectra of ferroelectrics in the form of single crystals, ceramics, thin films and multilayers in a very broad spectral and temperature range (1 mHz – 150 THz, 5 – 950 K).

What is original and unique in our lab?

• We developed unique experimental methods for dielectric measurements of high-permittivity and high-loss ferroelectric materials (bulk and thin films) in the microwave range from 10 to 400 K.
• Time domain THz transmission spectra (0.1-2.4 THz) can be measured between 5 and 900 K, THz reflectance below 300 K.
• Infrared dielectric response can be obtained not only on bulk samples but also on ultra-thin films with thickness down to 20 nm.
• Micro-Raman spectrometer (488 nm excitation) in combination with AFM microscope allows us to study phonons with high spatial resolution together with AFM topography. Additional ultraviolet laser (325 nm excitation) is suitable for measurements of ultrathin films.
• In collaboration with other groups from our Institute we can study magnetoelectric and magnetic properties of multiferroics.

Our phonon studies are frequently supplemented by inelastic neutron scattering studies in Institute of Laue-Langevin and inelastic X-ray scattering in ESRF (both in Grenoble, France). Infrared spectroscopy with external magnetic fields we conduct in GHMFL (Grenoble, France). Magnetic and magnetocapacitive experiments are performed in the Departement of magnetic and low-temperature physics in our Institute (equipped with PPMS14 and SQUID Magnetometer Quantum Design).

Equipment

• Dielectric analyzer Alpha_AN (Novocontrol), frequency range 3x10^-6Hz–20 MHz, 10–900K
• Impedance analyzer HEWLETT-PACKARD 4192A, frequency range 100 Hz – 5 MHz, 10 – 900 K
• Impedance analyzer AGILENT 4291B, frequency range 1 MHz – 1.8 GHz, coaxial technique, 100 – 550 K
• Network analyzer AGILENT E8364B, frequency range 50 MHz – 50 GHz, coaxial technique suitable for dielectric measurements of high-permittivity high loss thin films and bulks, temperature range 10 – 400 K
• Custom made setup for time-domain THz spectroscopy; spectral range: 5 – 80 cm^-1 (0.1 – 2.5 THz), temperature range 10 – 950 K (in collaboration with the THz spectroscopy group)
• Fourier spectrometer BRUKER IFS113v, spectral range 15-10.000 cm^-1, temperature range 5 – 950 K, transmission and specular reflection measurements (two instruments)
• Micro-Raman spectrometer RM 1000 (RENISHAW), multichannel detection, temperature range 10 – 750 K, polarizing microscope
• In-Via Reflex Raman Microscope (RENISHAW) combined with NTEGRA Spectra AFM Upright Microscope (NT-MDT).

Nedávné výsledky

Relaxační feroelektrika

Relaxační feroelektrika vykazují široké dielektrické relaxace, pro jejichž studium využíváme širokopásmovou spektroskopii (100 Hz - 100 THz). Nedávno jsme studovali keramický PbMg_1/3Nb_2/3O₃-35%PbTiO₃ [V. Bovtun a kol., Phys. Rev. B 79, 104111 (2009)] s makro (4 µm) a nanozrny (150 nm). Pozorovali jsme, že teplotní a frekvenční závislost permitivity v makrozrnné keramice vykazuje relaxační chování při vysokých teplotách a ostrý feroelektrický přechod u 450 K. Nanozrnná keramika vykazuje pouze relaxorové chování a menší permitivitu. Rozdílné chování je vysvětleno různou dynamikou polárních nanoklastrů. Ty jsou více stabilizované při vysokých teplotách v jemnozrnné keramice díky upnutí na hranicích zrn. Pod T_C je růst feroelektrických domén v jemnozrnných keramikách potlačen, což podporuje i naše pozorování jevu generace druhé harmonické, a proto nedochází k makroskopickému feroelektrickému přechodu.

Dynamika feroelektrických fázových přechodů v piezoelektrikách

Podrobné teplotní závislosti feroelektrickách měkkých módů a kritických dielektrických relaxací byly studovány nejen v olovnatých piezoelektrikách [např. PLZT - viz E. Buixaderas a kol., Appl. Phys. Lett. 94, 052903 (2009)], ale hlavně v bezolovnatých piezoelektrikách jako KNN [viz E. Buixaderas a kol., IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 56, 1843 (2009)] nebo NBT-BT [Hlinka et al., odesláno do Ferroelectrics].

Nový feroelektrický fázový přechod

V oddělení dielektrik byl objeven feroelektrický přechod v Sr_9-xPb_xCe₂Ti₁₂O₃₆ (x=0-9). Bylo ukázáno, že vzorky s nízkou koncentrací olova (x<3) jsou tzv. incipientní feroelektrika, tj. že se s ochlazováním blíží k feroelektrickému stavu, ale kvantové fluktuace mu zabrání vzniknout. Vzorky s vyšší Pb koncentraci se stávají feroelektrické a jejich kritická teplota lineárně roste s koncentrací olova. Komplexní dielektrická, terahertzová, infračervená a Ramanova spektra ukázala, že fázové přechody jsou čistě posuvného typu, protože se pozoroval jasný měkký feroelektrický mód fononového původu. Strukturní měření ukázala, že paraelektrická fáze má trigonální strukturu, zatímco feroelektrická krystaluje v monoklinické struktuře. Obsáhlý článek byl publikován v prestižním časopise Chemistry of Materials [S. Kamba a kol., Chem. Mat., 21, 811 (2009)].

Teplotní závislost permitivity v Sr_9-xPb_xCe₂Ti₁₂O₃₆ (x=0-9). Teploty maxim odpovídají teplotám feroelektrického fázového přechodu.