立方 In$_2$O$_3$ 中的光学声子模、静态与高频介电常数及有效电子质量参数

本文结合远红外与红外光谱椭偏术以及第一性原理计算，报道了由对称性预言的铟氧化物（bixbyite 结构）全部光学声子模。在高质量、微弱导电的熔体生长单晶块体上，以逐波长（即逐点）方式并通过数值扣除微弱的自由电荷载流子 Drude 模型贡献，获得了介电函数谱。应用四参数半量子模型确定了全部十六对红外活性横光学与纵光学声子模，包括高频介电常数 $\varepsilon_{\infty}=4.05\pm 0.05$。随后由 Lyddane-Sachs-Teller 关系得到静态介电常数 $\varepsilon_{\mathrm{DC}}=10.55\pm 0.07$。所有实验结果与我们的密度泛函理论计算以及先前报道的数值（若存在）极为吻合。我们还进行了光学霍尔效应测量，确定非故意掺杂的 $n$ 型样品的自由电子密度为 $n=(2.81 \pm 0.01)\times 10^{17}$~cm$^{-3}$、迁移率为 $\mu=(112 \pm 3)$~cm$^{2}$/(Vs)、有效质量参数为 $(0.208\pm0.006)m_e$。密度与迁移率参数与电学霍尔效应测量结果非常一致。我们的有效质量参数独立于任何其他实验技术测得，代表了 In$_2$O$_3$ 中 $\Gamma$ 点底部曲率，与先前的外推相符。我们利用太赫兹光谱椭偏术测量了 In$_2$O$_3$ 的准静态响应，我们的模型验证了由 Lyddane-Sachs-Teller 关系得到的静态介电常数。