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).

People

Head
Stanislav Kamba
Staff
Viktor Bovtun	microwave and broad-band dielectric spectroscopy
Elena Buixaderas	Raman and infrared spectroscopy
Ivan Gregora	Raman spectroscopy, PFM microscopy connected with Raman spectroscopy
Martin Kempa	microwave and broad-band dielectric spectroscopy
Dmitry Nuzhnyy	infrared and terahertz spectroscopy
Tetyana Ostapchuk	infrared spectroscopy
Jan Petzelt	infrared and broad-band dielectric spectroscopy, structural phase transitions
Jan Pokorný	Raman spectroscopy
Maxim Savinov	low-frequency dielectric spectroscopy
Vladimír Vorlíček	Raman spectroscopy
PhD. students
Fedir Borodavka	Raman spectroscopy
Veronica Goian	infrared spectroscopy of multiferroics
Elizabeth J. Vakkechalil	infrared and Raman spectroscopy

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

Multiferoické materiály

Navrhli jsme jak využít klasických experimentálních metod fyziky pevných látek k potvrzení teorií o narušení CP (charge and parity) symetrie částic ve vesmíru. Z těcto teorií, vysvětlujících např. proč je více hmoty než antihmoty, vyplývá, že by částice jako elektron, neutron atd měly mít stálý elektrický dipólový moment. Tento dipólový moment by měl být podle standartního modelu velmi malý (~10-40 e.cm u elektronu), jiné teorie (např. supersymetrický model) však předpovídají tento moment mnohem větší (~10-28 e.cm). I tato hodnota je však zatím pod hranicí dnešních experimentálních metod, proto dipólový moment částic zatím nebyl nikdy pozorován. Orientaci dipólmomentu elektronu by mělo být možné ovlivňovat vnějším elektrickým polem a protože dipólový moment by měl být svázaný se spinem elektronu, měla by se pozorovat změna magnetizace se změnou vnějšího elektrického pole. Dosavadní hledání dipólového momentu elektronu nebyla nikdy uspěšná, protože bylo obtížné aplikovat dostatečně silné elektrické pole. Vzorky musely být elektricky nevodivé, ale přesto v nich docházelo k elektrickému průrazu ve vysokých elektrických polích. Tým z FZU (společně se spolupracovníky z Výzkumného centra v Julichu, z Kalifornské, Yale a Karlovy univerzity jakož i z České geologické služby) navrhl použít k hledání elektrického dipólového momentu elektronu nevodivý magnetický materiál Eu_0.5Ba_0.5TiO₃, který je navíc feroelektrický, tj. vykazuje elektrickou polarizaci, která se dá relativně jednoduše ovlivňovat a dokonce přepínat vnějším elektrickým polem. Vlivem feroelektrické polarizace Eu_0.5Ba_0.5TiO₃ působí na sedm nespárovaných spinů v každém magnetickém Eu iontu obrovské vnitřní elektrické pole, které je o tři řády vyšší než obvyklé vnější aplikovatelné elektrické pole. Směr tohoto pole se dá přepínat a tudíž by v tomto materiálu mělo docházet i k přetáčení elektrického a magnetického momentu elektronů. V důsledku toho by mělo být možné pozorovat lineární změnu magnetizace vzorku s vnějším elektrickým polem. Pro dosažení optimální citlivosti (~10-28 e.cm), která by měla být minimálně o jeden řád lepší než dosud používané metody, je nutné provádět tato měření při teplotě kapalného hélia (4.2 K). Pražská skupina z Fyzikálního ústavu připravila keramický Eu_0.5Ba_0.5TiO₃. Zjistila, že je feroelektrický a antiferomagnetický, určila i jeho krystalovou strukturu v paraelektrické i feroelektrické fázi. Demonstrovala, že je možné v tomto vzorku měnit směr elektrické polarizace nejen při vysokých, ale i při nízkých teplotách blízko 4 K, a proto je tento materiál vhodný pro hledání stálého elektrického dipólového momentu elektronu. Pro jeho potvrzení je ještě třeba nalézt lineární změnu magnetizace s elektrickým polem. Tato magnetoelektrická měření probíhají nyní na univerzite v Yale (USA). Využívá se k nim vysoce citlivý supravodivý kvantový interferometer (anglicky SQUID). Předběžné výsledky byly publikovány v prestižním časopise Nature Materials, preprint je možné nalézt na cond-mat serveru http://xxx.lanl.gov/ pod adresou arXiv:1002.0376v2. (webová adresa http://xxx.lanl.gov/PS_cache/arxiv/pdf/1002/1002.0376v2.pdf). Náš tým nedávno publikoval společně s řadou amerických spolupracovníků ještě jiný článek v časopisu Nature. Teoreticky je v něm navrženo a také experimentálně potvrzeno, jak uměle vytvořit z antiferomagnetického a neferoelektrického EuTiO₃ silný feromagnet a feroelektrikum. Využívá se k tomu mechanické napětí v ultratenkých vrstvách, které vzniká od podložek, na kterých jsou vrstvy narostlé. Takovéto multiferoické nanovrstvy by měly vykazovat obrovskou vazbu mezi magnetizací a elektrickou polarizací, díky čemuž by mělo jít přemagnetovávat daný vzorek pomocí elektrického pole. Tento jev by se dal využít v budoucích stálých elektronických pamětech, kde by docházelo k magnetickému zápisu pomocí elektrického pole. Takového paměti by měly mimo jiné nahradit stávající flash paměti, které všichni známe z fotoaparátů, kamer atd. Multiferoických materiálů, tj. materiálů které jsou zároveň magnetické i feroelektrické a které vykazují silmou magnetoelektrickou vazbu, je v přírodě velmi málo a fungují prakticky jen při nízkých teplotách. Tento článek z časopisu Nature ukazuje nové možnosti jak připravovat uměle nová multiferoika, které v přírodě v objemové formě neexistují. Pomocí mechanického napětí indukovaného podložkou je tak možné získat multiferoika, které by měly fungovat nad pokojovou teplotou.

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.