Fyzikální ústav Akademie věd ČR

Bismutitý ferit (BiFeO₃) je prototypický multiferoický systém s výjimečnými vlastnostmi: je antiferomagnetický do teploty TN ~ 640 K a feroelektrický do teploty TC ~ 1100 K. Popis chování polárních kmitů mříže je základem pro pochopení jeho dielektrických a elektromechanických vlastností. Přiřazení kmitových (fononových) módů detekovaných v Ramanových spektrech BiFeO₃ je komplikováno přítomností tzv. smíšených módů. Frekvence těchto módů neodpovídají frekvencím čistých longitudinálních (LO) a transversálních (TO) módů; jejich frekvence se spojitě mění v závislosti na orientaci vlnového vektoru fononu. U monokrystalické látky můžeme vibrační módy přiřadit na základě analýzy spekter změřených pro různé hodnoty úhlu mezi vlnovým vektorem fononu a optickou osou (směrová disperze). Ve spolupráci s universitou v Sheffieldu se nám podařilo vyvinout původní metodiku, která umožnila pro určení těchto silně anizotropních krystalových vlastností vůbec poprvé použít polykrystalický materiál. Metodika využívá citlivost a prostorové rozlišení současných mikro-Ramanových spektrometrů pro získání dostatečně velkého souboru spekter změřených na různých náhodně orientovaných zrnech keramiky, viz obrázek. Kompletní soubor TO a LO frekvencí potřebný k výpočtu směrové disperze jsme určili z limitních hodnot měřených spektrálních rezonancí v rámci celého souboru spekter. Úhel mezi vlnovým vektorem fononu a optickou osou jsme pro každé zrno následně určili ze změřené frekvence odpovídající referenčnímu smíšenému módu. Na základě takto získané směrové disperze parametrů fononových módů jsme pak provedli jejich úplné přiřazení [J. Hlinka a kol., Phys. Rev. B 83, 020101 (2011)].

Spektra kmitů mříže multiferoika BiFeO₃. (a) Ramanova spektra vybraných zrn keramiky. Bodové symboly označují pozice čistých módů. (b) Směrová disperze. Plné čáry představují smíšené módy, čárkované čáry čistě transverzální větve E(TO), prázdné kroužky frekvence modů z Ramanových spekter jednotlivých zrn v závislosti na úhlu mezi vlnovým vektorem fononu a optickou osou.