Forskere forbedrer beskrivelsen af ​​defekte oxider med beregning af første principper

At forstå, hvordan defekter kan påvirke grundtilstandsegenskaber, fremme faseovergange, eller muliggøre helt nye funktionaliteter i nogle stærkt korrelerede oxider er blevet et emne af stor interesse inden for design og opdagelse af nye funktionelle materialer. SrMnO ₃ (SMO) er et særligt interessant eksempel, men bedre karakterisering er nødvendig. MARVEL-forskere har nu udviklet en metode, der kan føre til mere præcise forudsigelser af energien af ​​defekter forbundet med in-gap-tilstande i halvledere eller isolatorer.

Nogle perovskitoxider, for eksempel, har vist et bredt spektrum af teknologisk relevante funktionelle egenskaber såsom ferroelektricitet og magnetisme, der kan tunes via strain. stamme, imidlertid, også kobles med defektkemien for at bestemme materialets egenskaber.

SrMnO ₃ (SMO) er et særligt interessant eksempel til at undersøge funktionaliteten som følge af et komplekst samspil af belastning, magnetisk orden, polære forvrængninger, og iltpladser, der er allestedsnærværende defekter i disse materialer. I særdeleshed, teorien har forudsagt SMO tynde film til at blive fra antiferromagnetisk til ferromagnetisk med stigende iltmangel, som understøttes af nylige eksperimentelle undersøgelser.

Disse tidligere forudsigelser var imidlertid baseret på tæthedsfunktionel teori (DFT) beregninger, der inkorporerede en korrektion U baseret på de elektroniske og magnetiske egenskaber af støkiometriske manganitter. Mens inklusion af U - beregnet til at korrigere selvinteraktion af elektroner i komplekse oxider - er nødvendig i sådanne materialer, det specifikke valg af U baseret på støkiometriske materialeegenskaber kan føre til potentielle mangler i beskrivelsen af ​​defekte SMO-manganioner omkring defekten har et andet koordinationsmiljø.

Afhængigt af den defekte ladetilstand, et ekstra problem er relateret til beskrivelsen af ​​flere oxidationstilstande til stede i defekt SMO. Dannelsen af ​​ilt ledige pladser kompenseres generelt ved en reduktion af oxidationstilstanden (OS) af manganioner, der støder op til den ledige plads, som derfor måske ikke er korrekt beskrevet af samme U.

Dette er grunden til, at University of Bern postdoc Chiara Ricca og kolleger besluttede, at det var afgørende at tage hensyn til lokale strukturelle og kemiske effekter for hvert overgangsmetalsted i oxidet, når man tilstræber en nøjagtig beskrivelse af defekt SMO. I samarbejde med et team på Nicola Marzaris THEOS laboratorium, som for nylig udviklede en density functional perturbation theory (DFPT)-baseret tilgang til beregning af U-parametre, de brugte selvkonsistente stedafhængige U-værdier beregnet ud fra første principper til at studere defektkemi og magnetiske egenskaber ved SMO-bulk og anstrengede tynde film.

"Dette ekstremt tætte samarbejde mellem de to grupper, den ene fokuserer på metodeudvikling og den anden på applikationer i defekte oxidmaterialer, blev udløst ved at forene disse forskellige forskningsfokus under MARVEL-paraplyen", sagde Ulrich Aschauer fra University of Bern, en af ​​de to PI'er, der er involveret i arbejdet.

Resultaterne viser, at denne selvkonsistente U forbedrer strukturen af ​​støkiometrisk SrMnO ₃ med hensyn til andre metoder, herunder en, der bruger et empirisk U. For defekte systemer, U ændres som funktion af afstanden mellem overgangsmetalstedet og defekten, dets oxidationstilstand, dets koordinationsnummer, og materialets magnetiske fase. Under hensyntagen til denne afhængighed, på tur, påvirker de beregnede defektdannelsesenergier og de forudsagte belastnings- og/eller defektinducerede magnetiske faseovergange, især når besatte lokaliserede tilstande optræder i materialets båndgab ved defektskabelse.

"Vi mener, at denne tilgang kan føre til mere præcise forudsigelser af energien i defekter forbundet med in-gap-tilstande i halvledere eller isolatorer både sammenlignet med standard DFT og muligvis hybridfunktioner til en beregningsomkostning, der er betydeligt lavere end for sidstnævnte, " sagde Ricca. "Dette er takket være en korrekt beskrivelse af de strukturelle og lokale kemiske virkninger induceret af defekterne."