Raman spectroscopic study of phonon dynamics and structural evolution in BaBiO3
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0044483Ключові слова:
Raman spectroscopy, barium bismuthate, phonon dynamics, structural phase transition, electron phonon coupling, perovskite oxidesАнотація
У даному дослідженні за допомогою раманівської спектро скопії проведено аналіз динаміки фононів у вісмутаті барію 3 у температурному діапазоні 5–300 К. Вивчається взаємодія між коливаннями кристалічної решітки, електронною поведінкою та структурним фазовим переходом у BaBiO3 — питання, що становлять значний інтерес через актуальність матеріалу для високотемпературної надпровідності. Нами помічено аномальну зміну у фононних спектрах, зумовлену структурним фазовим переходом від далекосяжної моноклінної симетрії I2/m до симетрії P21/n при температурі, наближеній до 140 К. Було виявлено локальні структурні флуктуації всередині фази I2/m, які можуть бути пов’язані з фазою P21/n. Крім того, були виявлені інтенсивні поляризаційно-залежні обертонні смуги, пов’язані з умовами передрезонансного лазерного збудження та вираженим електрон-фононним зв’язком. У раманівських спектрах виявлено також поляризаційно-залежну електронну смугу поблизу 2,3 еВ (при температурі 5 К), яка інтерпретується як розсіювання фотонів, обумовлене електронною зонною структурою. Отримані результати пропонують нові перспективи щодо електронних та коливальних властивостей BaBiO3 , підкреслюючи важливість поглиблених спектроскопічних досліджень для глибокого розуміння складної фізики цього матеріалу. Ця робота не лише розширює фундаментальні знання про перовскітні оксиди, але й закладає основу для дослідження їхнього потенціалу в майбутніх технологічних застосуваннях.
Посилання
D. E. Cox and A. W. Sleight, “Crystal structure of Ba2Bi3 + Bi5 + O6,” Solid State Commun. 19, 969 (1976).
https://doi.org/10.1016/0038-1098(76)90632-3
Q. Zhou and B. J. Kennedy, “High temperature structure of BaBiO3—a synchrotron X-ray powder diffraction study,” Solid State Commun. 132, 389 (2004). https://doi.org/10.1016/j.ssc.2004.08.002
D. E. Cox and A. W. Sleight, “Structural studies of the BaPb1–xBixO3 system,” in Proc. Conf. Neutron Scattering, edited by R. M. Moon, (National Technical Information Service, Springfield, VA, 1976), p. 45.
S. Pei, J. D. Jørgensen, B. Dabrowski, D. G. Hinks, D. R. Richards, A. W. Mitchell, J. M. Newsam, S. K. Sinha, D. Vaknin, and A. J. Jacobson, “Structural phase diagram of the Ba1–xKxBiO3 system,” Phys. Rev. B 41, 4126 (1990). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.4126
G. Ruani, A. J. Pal, C. Talianai, R. Zamboni, X. Wei, L. Chen, and Z. V. Vardeny, “Optical studies of BaBiO3: A 3D charge density wave (CDW) insulator,” Synth. Met. 41-43, 3977 (1991); https://doi.org/10.1016/0379-6779(91)91723-NCrossref
R. P. S. M. Lobo and F. Gervais, “Bismuth disproportionation in BaBiO3 studied by infrared and visible reflectance spectra,” Phys. Rev. B 52, 13294 (1995). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.52.13294Crossref
Y. Imai, M. Kato, T. Noji, Y. Koike, M. Hedo, Y. Uwatoko, and N. Mori, “Electrical resistivity of the perovskite Ba1–xKxBiO3 (x ⩽ 0.15) under high pressure,” Phys. C Supercond. 426-431, 497 (2005). https://doi.org/10.1016/j.physc.2005.01.038
D. E. Cox and A. W. Sleight, “Mixed-valent Ba2Bi3 + Bi5 + O6: Structure and properties vs temperature,” Acta Cryst. B 35, 1 (1979). https://doi.org/10.1107/S0567740879002417
C. J. Howard, B. J. Kennedy, and P. V. Woodward, “Ordered double perovskites – a group-theoretical analysis,” Acta Cryst. B 59, 463 (2003). https://doi.org/10.1107/S0108768103010073
G. Thornton and A. J. Jacobson, “A neutron diffraction determination of the structures of Ba2SbVBiIIIO6 and Ba2BiVBiIIIO6,” Acta Cryst. B 34, 351 (1978). https://doi.org/10.1107/S056774087800312X
B. J. Kennedy, C. J. Howard, K. S. Knight, Z. Zhang, and Q, Zhou, “Structures and phase transitions in the ordered double perovskites Ba2BiIIIBiVO6 and Ba2BiIIISbVO6,” Acta Cryst. B 62, 537 (2006). https://doi.org/10.1107/S0108768106018842
Q. Zhao, T. Abe, C. Moriyoshi, S. Kim, A. Taguchi, H. Moriwake, H.-T. Sun, and Y. Kuroiwa, “Charge order of bismuth ions and nature of chemical bonds in double perovskite-type oxide BaBiO3 visualized by synchrotron radiation x-ray diffraction,” Jpn. J. Appl. Phys. 59, 095505 (2020). https://doi.org/10.35848/1347-4065/abb00d
M. Kim, G. M. McNally, H. H. Kim, M. Oudah, A. S. Gibbs, P. Manuel, R. J. Green, R. Sutarto, T. Takayama, A. Yaresko, U. Wedig, M. Isobe, R. K. Kremer, D. A. Bonn, B. Keimer, and H. Takagi, “Superconductivity in (Ba, K)SbO3,” Nature Mater. 21, 627 (2022). https://doi.org/10.1038/s41563-022-01203-7
R. L. Bouwmeester and A. Brinkman, “Babio3—from single crystals towards oxide topological insulators,” Rev. Phys. 6, 100056 (2021). https://doi.org/10.1016/j.revip.2021.100056
B. Yan, M. Jansen, and C. Felser, “A large-energy-gap oxide topological insulator based on the superconductor BaBiO3,” Nat. Phys. 9, 709 (2013). https://doi.org/10.1038/nphys2762
R. Scholder, K. Ganter, H. Gläser, and G. Merz, “Über alkali- und erdalkalioxobismutate (V),” Z. Anorg. Allg. Chem. 319, 375 (1963). https://doi.org/10.1002/zaac.19633190518
S. N. Barilo, D. I. Zhigunov, L. A. Kurochkin, A. V. Pushkarev, and S. V. Shiryaev, Sov. Phys. Supercond. 5, 1081 (1992).
N. V. Barkovskii, “Physico-chemical bases of BaBiO3 perovskite synthesis,” Russ. J. Gen. Chem. 89, 173 (2019). https://doi.org/10.1134/S1070363219020014
Yu. G. Pashkevich, V. P. Gnezdilov, A. V. Eremenko, P. Lemmens, G. Guntherodt, W. Reichardt, M. Braden, S. V. Shiryaev, S. N. Barilo, and A. G. Soldatov, “Local distortions in Ba1–xKxBiO3 observed in low-frequency phonon Raman scattering,” Int. J. Mod. Phys. B 14, 3637 (2000). https://doi.org/10.1142/S0217979200004155
G. D. Gale, “GULP: A computer program for the symmetry-adapted simulation of solids,” Faraday Trans. 93, 629 (1997). https://doi.org/10.1039/a606455h
E. Kroumova, M. I. Aroyo, J. M. Perez Mato, A. Kirov, C. Capillas, S. Ivantchev, and H. Wondratschek, “Bilbao crystallographic server: Useful databases and tools for phase-transition studies,” Phase Trans. 76, 155 (2003). https://doi.org/10.1080/0141159031000076110
E. F. V. Carvalho, E. M. Diniz, and C. W. A. Paschoal, “Behavior of the elastic and mechanical properties of Ba2BiTaO6 compound under pressure changes,” Comput. Mater. Sci. 40, 417 (2007). https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2007.01.020
S. Sugai, S. Uchida, K. Kitazawa, S. Tanaka, and A. Katsui, “Lattice vibrations in the strong electron-phonon-interaction system BaPb1–xBixO3 studied by Raman scattering,” Phys. Rev. Lett. 55(4), 426 (1985). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.55.426
A. Glamazda, P. Lemmens, S.-H. Do, K.-Y. Choi, “Comparative Raman scattering study of Ba3MSb2O9 (M = Zn, Co, and Cu),” Low Temp. Phys. 43, 543 (2017) [Fiz. Nizk. Temp. 43, 683 (2017)]. https://doi.org/10.1063/1.4985205
S. Sugai, “Dimerization model for the metal-semiconductor transition in BaPb1–xBixO3,” Phys. Rev. B 35, 3621 (1987). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.35.3621
M. Talha and Y. W. Lee, “Raman modes and dielectric relaxation properties of epitaxial BaBiO3 thin films,” Mater. Res. Express 7, 016420 (2020). https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab63fe
D. Bhatnagar and R. Chatterjee, “High temperature dielectric relaxation and impedance spectroscopy studies on BaBiO3.” Adv. Materials Lett. 7, 604 (2016). https://doi.org/10.5185/amlett.2016.6236
M. Naamneh, E. C. O’Quinn, E. Paris, D. McNally, Y. Tseng, W. R. Pudełko, D. J. Gawryluk, J. Shamblin, B. Cohen-Stead, M. Shi, M. Radovic, M. K. Lang, T. Schmitt, S. Johnston, and N. C. Plumb, “Persistence of small polarons into the superconducting doping range of Ba1−xKxBiO3,” Phys. Rev. Res. 7, 043082 (2025). https://doi.org/10.1103/s3p1-cy1s
N. Feng, J. Han, C. Lin, Z. Ai, C. Lan, K. Bi, Y. Lin, K. H. Xue, and B. Xu. “Anti-Jahn-Teller effect induced ultrafast insulator to metal transition in perovskite BaBiO3,” npj Comput. Mater. 8, 226 (2022). https://doi.org/10.1038/s41524-022-00901-9
D. Korotin, V. V. Kukolev, A. V. Kozhevnikov, D. Y. Novoselov, and V. I. Anisimov, “Electronic correlations and crystal structure distortions in BaBiO3,” J. Phys.: Condens. Matter 24, 415603 (2012). https://doi.org/10.1088/0953-8984/24/41/415603
V. P. Gnezdilov, V. V. Eremenko, A. V. Peschanskii, V. I. Fomin, and T. V. Sukhareva, “Experimental observation of energy gap in a YBaCuO superconductor by Raman scattering method,” Sov. J. Low Temp. Phys. 15, 431 (1989) [Fiz. Nizk. Temp. 15, 771 (1989)]. https://doi.org/10.1063/10.0032225
M. E. Kozlov, X. Ji, H. Minami, and H. Uwe, “Change of IR spectra of Ba1−xKxBiO3 crystals at the low-temperature phase transition,” Phys. Rev. B 56, 12211 (1997). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.12211
B. Zhang, J. Klarbring, F. Ji, S. I. Simak, I. A. Abrikosov, F. Gao, G. Y. Rudko, W. M. Chen, and I. A. Buyanova, “Lattice dynamics and electron-phonon coupling in double perovskite Cs2NaFeCl6,” J. Phys. Chem. C 127, 1908 (2023). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c07493
A. Menushenkov, S. Benazeth, J. Purans, A. Ignatov, and K. Klementev, “Debye-Waller factor low temperature anomalies in BaPb1–xBixO3,” J. Phys. IV (France) 7(C2), 1073 (1997). https://doi.org/10.1051/jp4:19972140
