Optical transmission spectroscopy and spectroscopic ellipsometry were used to extract the optical properties of an epitaxially grown quasi-tetragonal BiFeO3 thin film in the near infrared to near ultraviolet range. The absorption spectrum is overall blue shifted compared with that of rhombohedral BiFeO3, with an absorption onset near 2.25 eV, a direct 3.1 eV band gap, and charge transfer excitations that are 0.4eV higher than those of the rhombohedral counterpart. We interpret these results in terms of structural strain and local symmetry breaking.

1.
J. H.
Haeni
,
P.
Irvin
,
W.
Chang
,
R.
Uecker
,
P.
Reiche
,
Y. L.
Li
,
S.
Choudhury
,
W.
Tian
,
M. E.
Hawley
,
B.
Craigo
,
A. K.
Tagantsev
,
X. Q.
Pan
,
S. K.
Streiffer
,
L. Q.
Chen
,
S. W.
Kirchoefer
,
J.
Levy
, and
D. G.
Schlom
,
Nature (London)
430
,
758
(
2004
).
2.
K. J.
Choi
,
M.
Biegalski
,
Y. L.
Li
,
A.
Sharan
,
J.
Schubert
,
R.
Uecker
,
P.
Reiche
,
Y. B.
Chen
,
X. Q.
Pan
,
V.
Gopalan
,
L. -Q.
Chen
,
D. G.
Schlom
, and
C. B.
Eom
,
Science
306
,
1005
(
2004
).
3.
K. M.
Rabe
,
Curr. Opin. Solid State Mater. Sci.
9
,
122
(
2005
).
4.
A. M.
Kadomtseva
,
A. K.
Zvezdin
,
Y. F.
Popov
,
A. P.
Pyatakov
, and
G. P.
Vorob’ev
,
JETP Lett.
79
,
571
(
2004
).
5.
T.
Zhao
,
A.
Scholl
,
F.
Zavaliche
,
K.
Lee
,
M.
Barry
,
A.
Doran
,
M. P.
Cruz
,
Y. H.
Chu
,
C.
Ederer
,
N. A.
Spaldin
,
R. R.
Das
,
D. M.
Kim
,
S. H.
Baek
,
C. B.
Eom
, and
R.
Ramesh
,
Nature Mater.
5
,
823
(
2006
).
6.
H. W.
Jang
,
S. H.
Baek
,
D.
Ortiz
,
C. M.
Folkman
,
C. B.
Eom
,
Y. H.
Chu
,
P.
Shafer
,
R.
Ramesh
,
V.
Vaithyanathan
, and
D. G.
Schlom
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
062910
(
2008
).
7.
J.
Wang
,
J. B.
Neaton
,
H.
Zheng
,
V.
Nagarajan
,
S. B.
Ogale
,
B.
Liu
,
D.
Viehland
,
V.
Vaithyanathan
,
D. G.
Schlom
,
U. V.
Waghmare
,
N. A.
Spaldin
,
K. M.
Rabe
,
M.
Wuttig
, and
R.
Ramesh
,
Science
299
,
1719
(
2003
).
8.
T.
Choi
,
S.
Lee
,
Y. J.
Choi
,
V.
Kiryukhin
, and
S. -W.
Cheong
,
Science
324
,
63
(
2009
).
9.
S. Y.
Yang
,
L. W.
Martin
,
S. J.
Byrnes
,
T. E.
Conry
,
S. R.
Basu
,
D.
Paran
,
L.
Teichertz
,
J.
Ihlefeld
,
C.
Adamo
,
A.
Melville
,
Y. -H.
Chu
,
C. -H.
Yang
,
J. L.
Musfeldt
,
D. G.
Schlom
,
J. W.
Ager
 III
, and
R.
Ramesh
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
062909
(
2009
).
10.
R. J.
Zeches
,
M. D.
Rossell
,
J. X.
Zhang
,
A. J.
Hatt
,
Q.
He
,
C. -H.
Yang
,
A.
Kumar
,
C. H.
Wang
,
A.
Melville
,
C.
Adamo
,
G.
Sheng
,
Y. -H.
Chu
,
J. F.
Ihlefeld
,
R.
Erni
,
C.
Ederer
,
V.
Gopalan
,
L. Q.
Chen
,
D. G.
Schlom
,
N. A.
Spaldin
,
L. W.
Martin
, and
R.
Ramesh
,
Science
326
,
977
(
2009
).
11.
The true symmetry of the strain-stabilized phase that is the subject of this paper is monoclinic, but it’s a different phase than the isostructural (also monoclinic) distorted rhombohedral BiFeO3 phase that as been widely studied in thin film form (Refs. 4–9 and 17–20). As one is a slight monoclinic distortion from tetragonal BiFeO3 and the other a slight monoclinic distortion from rhombohedral BiFeO3 (Ref. 10), we refer to these two distinct phases as simply tetragonal and rhombohedral BiFeO3, which is an oversimplification.
12.
P.
Fischer
,
M.
Polomska
,
I.
Sosnowska
, and
M.
Szymanskig
,
J. Phys. C
13
,
1931
(
1980
).
13.
F.
Kubel
and
H.
Schmid
,
Acta Crystallogr., Sect. B: Struct. Sci.
46
,
698
(
1990
).
14.
H. M.
Tütüncü
and
G. P.
Srivastava
,
Phys. Rev. B
78
,
235209
(
2008
).
15.
D.
Ricinschi
,
K. -Y.
Yun
, and
M.
Okuyama
,
J. Phys.: Condens. Matter
18
,
L97
(
2006
).
16.
K. Y.
Yun
,
D.
Ricinschi
,
T.
Kanashima
,
M.
Noda
, and
M.
Okuyama
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
43
,
L647
(
2004
).
17.
S. R.
Basu
,
L. W.
Martin
,
Y. H.
Chu
,
M.
Gajek
,
R.
Ramesh
,
R. C.
Rai
,
X.
Xu
, and
J. L.
Musfeldt
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
091905
(
2008
).
18.
X. S.
Xu
,
T. V.
Brinzari
,
S.
Lee
,
Y. H.
Chu
,
L. W.
Martin
,
A.
Kumar
,
S.
McGill
,
R. C.
Rai
,
R.
Ramesh
,
V.
Gopalan
,
S. -W.
Cheong
, and
J. L.
Musfeldt
,
Phys. Rev. B
79
,
134425
(
2009
).
19.
J. F.
Ihlefeld
,
N. J.
Podraza
,
Z. K.
Liu
,
R. C.
Rai
,
X.
Xu
,
T.
Heeg
,
Y. B.
Chen
,
J.
Li
,
R. W.
Collins
,
J. L.
Musfeldt
,
X. Q.
Pan
,
J.
Schubert
,
R.
Ramesh
, and
D. G.
Schlom
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
142908
(
2008
).
20.
A.
Kumar
,
R. C.
Rai
,
N. J.
Podraza
,
S.
Denev
,
M.
Ramirez
,
Y. H.
Chu
,
L. W.
Martin
,
J.
Ihlefeld
,
T.
Heeg
,
J.
Schubert
,
D. G.
Schlom
,
J.
Orenstein
,
R.
Ramesh
,
R. W.
Collins
,
J. L.
Musfeldt
, and
V.
Gopalan
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
121915
(
2008
).
21.
F.
Wooten
,
Optical Properties of Solids
(
Academic
,
New York
,
1972
).
22.
H.
Fujiwara
,
Spectroscopic Ellipsometry: Principles and Applications
(
Wiley
,
West Sussex, England
,
2007
).
23.
M.
Tinkham
, in
Far Infrared Properties of Solids
, edited by
S. S.
Mitra
and
S.
Nudelman
(
Plenum
,
New York
,
1970
), p.
233
.
24.
C.
Chen
,
I.
An
,
G. M.
Ferreira
,
N. J.
Podraza
,
J. A.
Zapien
, and
R. W.
Collins
,
Thin Solid Films
455-456
,
14
(
2004
).
25.
J. B.
Neaton
,
C.
Ederer
,
U. V.
Waghmare
,
N. A.
Spaldin
, and
K. M.
Rabe
,
Phys. Rev. B
71
,
014113
(
2005
).
26.
X. S.
Xu
,
J. H.
Lee
,
J.
Ihlefeld
,
A.
Kumar
,
R.
Ramesh
,
V.
Gopalan
,
D. G.
Schlom
, and
J. L.
Musfeldt
, “
Tunable band gap in Bi(Fe1xMnx)O3 films
” (unpublished).
27.
Y.
Cong
,
I.
An
,
K.
Vedam
, and
R. W.
Collins
,
Appl. Opt.
30
,
2692
(
1991
).
28.
H.
Fujiwara
,
J.
Koh
,
P. I.
Rovira
, and
R. W.
Collins
,
Phys. Rev. B
61
,
10832
(
2000
).
29.
G. E.
Jellison
, Jr.
and
F. A.
Modine
,
Appl. Phys. Lett.
69
,
371
(
1996
).
30.
R. W.
Collins
and
A. S.
Ferlauto
, in
Handbook of Ellipsometry
, edited by
H. G.
Tompkins
and
E. A.
Irene
(
William Andrew
,
Norwich, NY
,
2005
), pp.
125
129
.
You do not currently have access to this content.