温度如何“重塑”CuFeO₂的光学世界？——一场跨越11K的结构相变之旅

搁浅

——基于《Temperature-dependent optical properties of CuFeO₂ through the structural phase transition》的深度解读（DOI: 10.1039/d1ra08096b）

在多功能氧化物材料中，CuFeO₂（铜铁氧体）因其独特的三角晶格结构、磁电耦合效应和潜在的光电应用前景，成为凝聚态物理与材料科学研究的焦点。尤其是在低温下，CuFeO₂经历一系列复杂的结构相变与磁相变，但其光学性能如何随温度演化，却一直缺乏系统研究。
近日，一项发表于 RSC Advances 的研究，通过拉曼光谱与椭偏光谱技术，首次系统揭示了CuFeO₂单晶在结构相变温度（11K）附近的光学响应变化，为理解其晶格-电荷-电子结构耦合机制提供了关键实验证据。

---

🔍 研究对象：CuFeO₂单晶——不只是“三角晶格”那么简单
CuFeO₂属于delafossite结构家族，室温下为三方晶系（R3̅m），在低温下（<11K）转变为单斜晶系（C2/m）。同时，它还拥有两个磁相变温度：

• T<sub> ≈ 16K：从顺磁态转变为非共线反铁磁态；
• T<sub> ≈ 11K：磁结构进一步有序化，并伴随结构相变。
  

这种磁-结构耦合行为使得CuFeO₂成为研究多铁性与磁电效应的理想平台。

---

🌡️ 实验手段：拉曼 + 椭偏，双剑合璧追踪“光学指纹”
研究团队采用以下手段系统测量CuFeO₂单晶的温度依赖性光学性质：

📉 关键发现一：11K处晶格振动“异动”
拉曼光谱显示，CuFeO₂在室温下主要存在两个代表性声子模式：

• E<sub> 模式（~352 cm⁻¹）：对应于Fe–O键的面内振动；
• A<sub> 模式（~692 cm⁻¹）：对应于Cu–O键的面外振动。
  

当温度降至11K以下时：

• E<sub> 模式频率软化（下降约0.9 cm⁻¹）；
• A<sub> 模式频率硬化（上升约0.8 cm⁻¹）；
  

这表明结构相变引发了FeO₆八面体的Jahn–Teller畸变：面内Fe–O键伸长，面外Cu–O键缩短，从而改变了晶格振动特性。

---

🌈 关键发现二：介电函数与带隙在11K处“跳变”
通过椭偏光谱分析，研究发现：

• 介电函数实部 ε₁ 在1 eV处出现不连续变化；
• 直接带隙 Eg 随温度降低而增大，但在11K附近偏离Bose–Einstein模型预测，出现2 meV的带隙软化；
• **吸收峰位（~1.76 eV 和 ~4.33 eV）**在低温下发生蓝移，但11K附近出现微小偏移。
  

这些“异常”现象进一步证实：结构相变不仅改变了晶格结构，也重构了电子能带结构。

---

🔬 机理解析：Jahn–Teller畸变如何“调控”电子结构？
在低温单斜相中，FeO₆八面体发生Jahn–Teller畸变，导致：

• Fe 3d 轨道能级进一步分裂；
• 带隙由高温相的 1.43 eV 缩小为低温相的 ~0.05 eV（理论预测）；
• 实验观测到带隙红移趋势，与理论一致。
  

这种晶格-电子强耦合行为，不仅解释了光学性质的异常变化，也为CuFeO₂在光电器件、传感器、光催化等领域的应用提供了新思路。

---

✅ 总结：温度是一根“隐形的手”，在11K处轻轻一转，CuFeO₂的世界焕然一新
本研究首次将温度依赖性光学性质与结构相变建立起直接联系，揭示出：

• 晶格振动模式在11K处发生软化/硬化；
• 介电函数与带隙出现不连续变化；
• Jahn–Teller畸变是驱动电子结构重构的核心机制。
  

这些发现不仅深化了我们对CuFeO₂中多物理场耦合机制的理解，也为设计温控光电器件、磁光传感器等新型功能器件提供了理论基础。