非中心对称 BaTiO$_3$ 薄膜中的非常规晶体场劈裂

理解铁电材料等中心对称缺失系统中的晶体场劈裂与轨道极化具有根本重要性。本研究以 BaTiO$_3$（BTO）为代表材料，借助 Ti $L_{2,3}$ 边的共振 X 射线线二色性，研究非中心对称 TiO$_6$ 八面体中的钛晶体场劈裂与轨道极化。高质量 BaTiO$_3$ 薄膜通过脉冲激光沉积以逐层方式生长在 DyScO$_3$（110）单晶衬底上。采用反射高能电子衍射（RHEED）与元素分辨 X 射线吸收谱（XAS）表征薄膜的结构与电子性质。与根据 Jahn-Teller 效应得出的常规晶体场劈裂及轨道构型（$d_{xz}$/$d_{yz}$ $<$ $d_{xy}$ $<$ $d_{3z^2-r^2}$ $<$ $d_{x^2-y^2}$ 或 $d_{xy}$ $<$ $d_{xz}$/$d_{yz}$ $<$ $d_{x^2-y^2}$ $<$ $d_{3z^2-r^2}$）截然不同，结果表明在外延 BTO 薄膜中 $d_{xz}$、$d_{yz}$ 与 $d_{xy}$ 轨道近乎简并，而 $d_{3z^2-r^2}$ 与 $d_{x^2-y^2}$ 轨道劈裂，能隙约 100 meV。这种意外的简并态 $d_{xz}$/$d_{yz}$/$d_{xy}$ 耦合于由 BTO 薄膜非中心对称 TiO$_6$ 八面体中极化与 Jahn-Teller 畸变竞争导致的 Ti-O 位移。我们的结果为通过切换铁电材料中的电极化来调控轨道自由度提供了一条途径。