Tunable materials and structures for terahertz spectral range

Abstract

Práce se zabývá experimentálním studiem dielektrických vlastností incipientních fero- elektrik. K měření spekter komplexní permitivity monokrystalů i napnutých tenkých vrstev jsme použili terahertzovou spektroskopii v časové oblasti. Stanovením závislostí spekter na teplotě a na přiloženém elektrickém poli jsme popsali dynamiku feroelektrického měkkého módu a jeho vazbu s centrálním módem. Jako první jsme charakterizovali laditelnost dielektrických vlastností monokrystalů SrTiO3 v elektrickém poli až k pokojové teplotě. Pozorované chování je způsobeno "tvrd- nutím" měkkého módu ve vnějším elektrickém poli. Jako možnou aplikaci těchto vlast- ností jsme navrhli a vyzkoušeli laditelný jednodimenzionální fotonický krystal obsahující destičku SrTiO3 jakožto defekt periodické struktury. Důležitost dynamiky měkkého módu byla také potvrzena studiem keramik KTaO3 s vysokou hustotou. Provedli jsme systematické studium tenké vrstvy KTaO3 a zejména pak řady nap- nutých mnohovrstevných struktur složených z dvojvrstev SrTiO3/DyScO3 na podložce DyScO3. V těchto vzorcích jsme pozorovali feroelektrický fázový přechod vyvolaný me- chanickým napětím vrstev, který je řízen měkkým módem s vazbou na nízkofrekvenční...

This thesis is devoted to an experimental study of dielectric properties of incipient fer- roelectrics. The terahertz time-domain spectroscopy was used to investigate the complex permittivity spectra in both single crystals and various strained thin film structures versus temperature and applied electric bias. Namely, it allowed characterizing the ferroelectric soft-mode dynamics and its coupling to a central mode. An electric-field tunability of bulk single crystals of SrTiO3 was determined up to room temperature for the first time. The phenomenon is governed by soft-mode stiffening under applied field. As an application we proposed and characterized a tunable one-dimensional photonic structure with a thin SrTiO3 plate inserted as a defect layer. The importance of the soft-mode dynamics was stressed also in the study of bulk high density KTaO3 ceramics. A systematic study was performed of a KTaO3 thin film and especially of a set of strained multilayers consisting of SrTiO3/DyScO3 bilayers grown on DyScO3 substrate. Strain-induced ferroelectric transition was observed in these films governed by the soft mode coupled to a lower-frequency relaxation. A general model was developed describing the whole family of the studied samples. Effect of the composition stoichiometry of SrTiO3 films grown on DyScO3 was...