Raman spectroscopic study of phonon dynamics and structural evolution in BaBiO3

Автор(и)

  • A. Glamazda B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61103, Ukraine
  • V. Gnezdilov B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61103, Ukraine
    Institute for Condensed Matter Physics, TU-Braunschweig, Braunschweig 38106, Germany
  • A. Peshanskii B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering of the National Academy of Sciences of Ukraine Kharkiv 61103, Ukraine
  • P. Lemmens Institute for Condensed Matter Physics, TU-Braunschweig, Braunschweig 38106, Germany
    Laboratory for Emerging Nanometrology and International Graduate School of Metrology, TU-Braunschweig Braunschweig 38106, Germany

DOI (Low Temperature Physics):


https://doi.org/10.1063/10.0044483

Ключові слова:

Raman spectroscopy, barium bismuthate, phonon dynamics, structural phase transition, electron phonon coupling, perovskite oxides

Анотація

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

1. 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

2. 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

3. 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.

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. S. N. Barilo, D. I. Zhigunov, L. A. Kurochkin, A. V. Pushkarev, and S. V. Shiryaev, Sov. Phys. Supercond. 5, 1081 (1992).

18. N. V. Barkovskii, “Physico-chemical bases of BaBiO3 perovskite synthesis,” Russ. J. Gen. Chem. 89, 173 (2019). https://doi.org/10.1134/S1070363219020014

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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

30. 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

31. 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

32. 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

33. 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

34. 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

Downloads

Опубліковано

2026-06-20

Як цитувати

(1)
A. Glamazda, V. Gnezdilov, A. Peshanskii, and P. Lemmens, Raman spectroscopic study of phonon dynamics and structural evolution in BaBiO3, Low Temp. Phys. 52, 977–986, (2026) [Fiz. Nyzk. Temp. 52, 1080–1089, (2026)] DOI: https://doi.org/10.1063/10.0044483.

Номер

Том 52 № 8 (2026)

Розділ

Динаміка кристалічної гратки

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.