Infrared-active lattice mode properties of melt-grown high-quality single bulk crystals of ZnGa2O4 are investigated by combined spectroscopic ellipsometry and density functional theory computation analysis. The normal spinel structure crystals are measured by spectroscopic ellipsometry at room temperature in the range of 100 cm–1–1200 cm–1. The complex-valued dielectric function is determined from a wavenumber-by-wavenumber approach, which is then analyzed by the four-parameter semi-quantum model dielectric function approach augmented by impurity mode contributions. We determine four infrared-active transverse and longitudinal optical mode pairs, five localized impurity mode pairs, and the high frequency dielectric constant. All four infrared-active transverse and longitudinal optical mode pairs are in excellent agreement with results from our density functional theory computations. With the Lyddane–Sachs–Teller relationship, we determine the static dielectric constant, which agrees well with electrical capacitance measurements performed on similarly grown samples. We also provide calculated parameters for all Raman-active and for all silent modes and, thereby, provide a complete set of all symmetry predicted Brillouin zone center modes.

1.
M.
Grundmann
,
H.
Frenzel
,
A.
Lajn
,
M.
Lorenz
,
F.
Schein
, and
H.
von Wenckstern
,
Phys. Status Solidi A
207
,
1437
(
2010
).
2.
M.
Lorenz
,
M. S. R.
Rao
,
T.
Venkatesan
,
E.
Fortunato
,
P.
Barquinha
,
R.
Branquinho
,
D.
Salgueiro
,
R.
Martins
,
E.
Carlos
,
A.
Liu
,
F. K.
Shan
,
M.
Grundmann
,
H.
Boschker
,
J.
Mukherjee
,
M.
Priyadarshini
,
N.
DasGupta
,
D. J.
Rogers
,
F. H.
Teherani
,
E. V.
Sandana
,
P.
Bove
,
K.
Rietwyk
,
A.
Zaban
,
A.
Veziridis
,
A.
Weidenkaff
,
M.
Muralidhar
,
M.
Murakami
,
S.
Abel
,
J.
Fompeyrine
,
J.
Zuniga-Perez
,
R.
Ramesh
,
N. A.
Spaldin
,
S.
Ostanin
,
V.
Borisov
,
I.
Mertig
,
V.
Lazenka
,
G.
Srinivasan
,
W.
Prellier
,
M.
Uchida
,
M.
Kawasaki
,
R.
Pentcheva
,
P.
Gegenwart
,
F. M.
Granozio
,
J.
Fontcuberta
, and
N.
Pryds
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
49
,
433001
(
2016
).
3.
S. J.
Pearton
,
J.
Yang
,
P. H.
Cary
,
F.
Ren
,
J.
Kim
,
M. J.
Tadjer
, and
M. A.
Mastro
,
Appl. Phys. Rev.
5
,
011301
(
2018
).
4.
Z.
Galazka
,
S.
Ganschow
,
R.
Schewski
,
K.
Irmscher
,
D.
Klimm
,
A.
Kwasniewski
,
M.
Pietsch
,
A.
Fiedler
,
I.
Schulze-Jonack
,
M.
Albrecht
,
T.
Schröder
, and
M.
Bickermann
,
APL Mater.
7
,
022512
(
2019
).
5.
Z.
Galazka
,
D.
Klimm
,
K.
Irmscher
,
R.
Uecker
,
M.
Pietsch
,
R.
Bertram
,
M.
Naumann
,
M.
Albrecht
,
A.
Kwasniewski
,
R.
Schewski
, and
M.
Bickermann
,
Phys. Status Solidi A
212
,
1455
(
2015
).
6.
A.
Mock
,
R.
Korlacki
,
C.
Briley
,
V.
Darakchieva
,
B.
Monemar
,
Y.
Kumagai
,
K.
Goto
,
M.
Higashiwaki
, and
M.
Schubert
,
Phys. Rev. B
96
,
245205
(
2017
).
7.
Z.
Galazka
,
Semicond. Sci. Technol.
33
,
113001
(
2018
).
8.
M.
Higashiwaki
,
K.
Sasaki
,
A.
Kuramata
,
T.
Masui
, and
S.
Yamakoshi
,
Phys. Status Solidi A
211
,
21
(
2014
).
9.
M.
Higashiwaki
and
G. H.
Jessen
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
060401
(
2018
).
10.
Z.
Xia
,
H.
Chandrasekar
,
W.
Moore
,
C.
Wang
,
A. J.
Lee
,
J.
McGlone
,
N. K.
Kalarickal
,
A.
Arehart
,
S.
Ringel
,
F.
Yang
, and
S.
Rajan
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
252104
(
2019
).
11.
J.
Zhang
,
J.
Shi
,
D.-C.
Qi
,
L.
Chen
, and
K. H. L.
Zhang
,
APL Mater.
8
,
020906
(
2020
).
12.
T. J.
Flack
,
B. N.
Pushpakaran
, and
S. B.
Bayne
,
J. Electron. Mater.
45
,
2673
(
2016
).
13.
A.
Bessière
,
S.
Jacquart
,
K.
Priolkar
,
A.
Lecointre
,
B.
Viana
, and
D.
Gourier
,
Opt. Express
19
,
10131
(
2011
).
14.
I. J.
Hsieh
,
K. T.
Chu
,
C. F.
Yu
, and
M. S.
Feng
,
J. Appl. Phys.
76
,
3735
(
1994
).
15.
S.
Yan
,
S.
Ouyang
,
J.
Gao
,
M.
Yang
,
J.
Feng
,
X.
Fan
,
L.
Wan
,
Z.
Li
,
J.
Ye
,
Y.
Zhou
, and
Z.
Zou
,
Angew. Chem., Int. Ed.
49
,
6400
(
2010
).
16.
Z.
Yan
and
H.
Takei
,
J. Cryst. Growth
171
,
131
(
1997
).
17.
P. J.
Van der Straten
,
R.
Metselaar
, and
H. D.
Jonker
,
J. Cryst. Growth
43
,
270
(
1978
).
18.
A. B.
Chase
and
J. A.
Osmer
,
J. Am. Ceram. Soc.
50
,
325
(
1967
).
19.
S. H.
Tsai
,
S.
Basu
,
C. Y.
Huang
,
L. C.
Hsu
,
Y. G.
Lin
, and
R. H.
Horng
,
Sci. Rep.
8
,
14056
(
2018
).
20.
S. K.
Sampath
,
D. G.
Kanhere
, and
R.
Pandey
,
J. Phys.: Condens. Matter
11
,
3635
(
1999
).
21.
W. K.
Wang
,
K. F.
Liu
,
P. C.
Tsai
,
Y. J.
Xu
, and
S. Y.
Huang
,
Coatings
9
,
859
(
2019
).
22.
W. K.
Wang
,
Y. J.
Xu
,
S. Y.
Huang
,
K. F.
Liu
, and
P. C.
Tsai
,
Coatings
9
,
469
(
2019
).
23.
G. G.
Van Gorkom
,
J. H.
Haanstra
, and
H. v. d.
Boom
,
J. Raman Spectrosc.
1
,
513
(
1973
).
24.
G. G.
Van Gorkom
,
J. C.
Henning
, and
R. P.
Van Stapele
,
Phys. Rev. B
8
,
955
(
1973
).
25.
J. E.
Drake
and
J.
Simpson
,
Spectrochim. Acta, Part A
24
,
981
(
1968
).
26.
H. A.
Lauwers
and
M. A.
Herman
,
J. Phys. Chem. Solids
41
,
223
(
1980
).
27.
S.
López
,
A. H.
Romero
,
P.
Rodríguez-Hernández
, and
A.
Muñoz
,
Phys. Rev. B
79
,
214103
(
2009
).
28.
J.
Preudhomme
and
P.
Tarte
,
Spectrochim. Acta, Part A
27
,
1817
(
1971
).
29.
S.
López-Moreno
,
P.
Rodríguez-Hernández
,
A.
Muñoz
,
A. H.
Romero
,
F. J.
Manjón
,
D.
Errandonea
,
E.
Rusu
, and
V. V.
Ursaki
,
Ann. Phys.
523
,
157
(
2011
).
30.
P.
Kühne
,
C. M.
Herzinger
,
M.
Schubert
,
J. A.
Woollam
, and
T.
Hofmann
,
Rev. Sci. Instrum.
85
,
071301
(
2014
).
31.
M.
Schubert
,
Infrared Ellipsometry on Semiconductor Layer Structures: Phonons, Plasmons and Polaritons
, Springer Tracts in Modern Physics Vol.
209
(
Springer
,
Berlin
,
2004
).
32.
F.
Gervais
and
B.
Piriou
,
J. Phys. C
7
,
2374
(
1974
).
33.
A.
Kasic
,
M.
Schubert
,
S.
Einfeldt
,
D.
Hommel
, and
T. E.
Tiwald
,
Phys. Rev. B
62
,
7365
(
2000
).
34.
S.
Schöche
,
T.
Hofmann
,
R.
Korlacki
,
T. E.
Tiwald
, and
M.
Schubert
,
J. Appl. Phys.
113
,
164102
(
2013
).
35.
R. H.
Lyddane
,
R.
Sachs
, and
E.
Teller
,
Phys. Rev.
59
,
673
(
1941
).
36.
Quantum ESPRESSO is available from http://www.quantum-espresso.org. See also:
P.
Giannozzi
,
S.
Baroni
,
N.
Bonini
,
M.
Calandra
,
R.
Car
,
C.
Cavazzoni
,
D.
Ceresoli
,
G. L.
Chiarotti
,
M.
Cococcioni
,
I.
Dabo
,
A. D.
Corso
,
S.
de Gironcoli
,
S.
Fabris
,
G.
Fratesi
,
R.
Gebauer
,
U.
Gerstmann
,
C.
Gougoussis
,
A.
Kokalj
,
M.
Lazzeri
,
L.
Martin-Samos
,
N.
Marzari
,
F.
Mauri
,
R.
Mazzarello
,
S.
Paolini
,
A.
Pasquarello
,
L.
Paulatto
,
C.
Sbraccia
,
S.
Scandolo
,
G.
Sclauzero
,
A. P.
Seitsonen
,
A.
Smogunov
,
P.
Umari
, and
R. M.
Wentzcovitch
,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
395502
(
2009
).
37.
J. P.
Perdew
and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. B
45
,
13244
(
1992
).
38.
J. P.
Perdew
and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. B
98
,
079904
(
2018
).
39.
M. J.
van Setten
,
M.
Giantomassi
,
E.
Bousquet
,
M. J.
Verstraete
,
D. R.
Hamann
,
X.
Gonze
, and
G. M.
Rignanese
,
Comput. Phys. Commun.
226
,
39
(
2018
).
40.
A.
Jain
,
S. P.
Ong
,
G.
Hautier
,
W.
Chen
,
W. D.
Richards
,
S.
Dacek
,
S.
Cholia
,
D.
Gunter
,
D.
Skinner
,
G.
Ceder
, and
K. A.
Persson
,
APL Mater.
1
,
011002
(
2013
).
41.
K.
Persson
, “
Materials Data on Zn(GaO₂)₂ (SG:227) by Materials Project
” (
United States
,
2014
).
42.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
43.
P. L.
Polavarapu
,
J. Phys. Chem.
94
,
8106
(
1990
).
44.
S.
Baroni
,
S.
de Gironcoli
,
A. D.
Corso
,
S.
Baroni
,
S.
de Gironcoli
, and
P.
Giannozzi
,
Rev. Mod. Phys.
73
,
515
(
2001
).
45.
A.
Kokalj
,
J. Mol. Graphics Modell.
17
,
176
(
1999
). Code available from http://www.xcrysden.org.
46.
M.
Schubert
,
R.
Korlacki
,
S.
Knight
,
T.
Hofmann
,
S.
Schöche
,
V.
Darakchieva
,
E.
Janzén
,
B.
Monemar
,
D.
Gogova
,
Q.-T.
Thieu
,
R.
Togashi
,
H.
Murakami
,
Y.
Kumagai
,
K.
Goto
,
A.
Kuramata
,
S.
Yamakoshi
, and
M.
Higashiwaki
,
Phys. Rev. B
93
,
125209
(
2016
).
47.
N.
Ma
,
N.
Tanen
,
A.
Verma
,
Z.
Guo
,
T.
Luo
,
H. G.
Xing
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
212101
(
2016
).
You do not currently have access to this content.