Исследование электронных свойств гетероинтерфейсов на
реклама
Исследование электронных свойств гетероитерфейсов на базе оксидов переходных металлов с помощью расчётов из первых принципов Варламова И.И, Пиянзина И.И. Институт Физики Лаборатория компьютерного дизайна новых материалов Казань, 2015 г. Введение • 2000, Нобелевская премия по физике, Ж.И. Алферов, за разработку полупроводниковых гетероструктур • 2004, Проводимость в гетероинтерфейсах на основе изоляторов изменяется в широчайшем диапазоне, от диэлектрических до металлических и/или полупроводниковых [1] • 2004-2014, Теоретические предсказываемые свойства: высокотемпературная сверхпроводимость, ферромагнетизм, сегнетоэлектричество, колоссальное магнетосопротивление. [1] A. Ohtomo, H. Y. Hwang. Nature, 2004, 427, 423-426. 2 Цель и задачи Цель: Исследование двумерной проводимости в гетероинтерфейсах на основе сложных оксидов переходных металлов. Задачи: • Моделирование структур объёмных LaAlO3 и SrTiO3; • Расчёт плотности состояний объёмных LaAlO3 и SrTiO3; • Исследование структуры LaAlO3 и реконструкции её поверхности; • Моделирование структур гетероинтерфейсов LaAlO3\SrTiO3; • Расчёт плотности состояний гетероинтерфейсов; • Выделение проводящих слоёв. A A ? B B 3 Параметры расчётов [3] [2] Расчёты выполнялись на суперкомпьютере Ломоносов, МГУ, www.msu.ru Остаточные силы (convergence) Функционал обменно-корреляционной энергии GGA-PBE, GGA+U Ограничение по энергии (planewave cutoff) 400 эВ Сетка в обратном пространстве (k-mesh) 5x5x1 Сходимость по энергии (convergence) Количество шагов расчёта 200 [2] MedeA® and Materials Design® . 2013 г. www.materialsdesign.com. [3] Kresse, G. "Software VASP, Vienna, 1999; G. Kresse, J. Furthmüller." Phys. Rev. B 54.11 (1996). 4 LaAlO3 и SrTiO3 LaAlO3 SrTiO3 LAO Свойство Настоящая работа Эксперимент/Другие расчеты Плотность 6.42 г/см3 6.52 г/см3 Параметр решетки 3.81 Å 3.79 Å, [4] Ширина запрещенной зоны 3.63 эВ 5.6 эВ / GGA: 3.7 эВ [5] Плотность 4.98 г/см3 5.175 г/см3 Параметр решетки 3.94Å 3.905 Å [6] Ширина запрещенной зоны 2.12 эВ 3.2 эВ / GGA: 2.0 эВ [5] STO [4]. Bueble S. et al. //Surface science. – 1998. – Т. 400. – №. 1. – Р. 345-355. [5]. Pentcheva R. // R.Pentcheva, W. E. Pickett; Physical Review B. – 2006. – Т. 74. – №. 3. – Р. 035112. [6]. Tabata H., Ueda K., Kawai T //Materials Science and Engineering: B. – 1998. – Т. 56. – №. 2. – Р. 140-146. 5 Детальное рассмотрение LaAlO3 Плотность состояний структуры 5.5 LaAlO3, а=3.94 Å 6 Реконструкция поверхности (адсорбция атома H) Ячейка 2х2 Результат расчёта равновесных положений атомов структуры LaAlO3 с атомом H на поверхности Плотность состояний LaAlO3 с атомом H на поверхности 7 Реконструкция поверхности (кислородные вакансии) Ячейка 2х2 Кислородная вакансия Плотность состояний структуры LaAlO3 с кислородными вакансиями на поверхности Результат расчёта равновесных положений атомов структуры LaAlO3 с кислородными вакансиями на поверхности 8 вакуум ~10Å n-слоёв LaAlO3 вакуум ~10Å Центральная область: 4,5 слоёв SrTiO3 n-слоёв LaAlO3 Расстояние между слоями 1.8 Å 9 Структурные искажения после расчета равновесных положений атомов Qa мода Qθ мода Q’z мода Рис.: Смещения атомов в кислородных октаэдрах Q’’z мода 10 Плотность состояний Ширина запрещенной зоны ≈ 1 эВ 11 Плотность состояний Ширина запрещенной зоны ≈ 0.5 эВ 12 Плотность состояний Проводник 13 вакуум ~10Å n-слоёв LaAlO3 вакуум ~10Å 4,5 слоёв SrTiO3 n-слоёв LaAlO3 14 Рассмотрение проводящей структуры Проекция электронной плотности на s-, p-, d-, f-орбитали Ti Проекция электронной плотности на s-, p-, d-, f-орбитали системы 15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 16 Результаты • Определено, что на свойства как отдельной системы LaAlO3, так и гетероструктуры на её основе оказывает существенное влияние поверхность: её тип и возможная реконструкция. • Смоделированы гетеросистемы на основе LaAlO3 и SrTiO3 при различных количествах слоёв LaAlO3, проведены расчёты равновесных положений атомов в каждой структуре. • Обнаружено, что системы, состоящие из области SrTiO3 и 2 или 3 элементарных ячеек LaAlO3, проявляют изолирующих характер, при 4 слоях LaAlO3 гетероструктура является проводящей. • Для проводящей гетеросистемы выделены слои, вносящие вклад в проводимость: слои TiO2, находящиеся на гетероинтерфейсе и поверхностные слои AlO2. 17 Спасибо за внимание! Благодарю за помощь всех сотрудников лаборатории компьютерного дизайна новых материалов, в частности: Лысогорского Ю.В. Киямова А. Г. 18 Приложение: оксиды переходных металлов Переходной металл – элемент, атом которого имеет неполную d-оболочку, или которые могут привести к катионам с неполной d-оболочкой. 19 Уравнения Кона-Шема 20 Обобщенное градиентное приближение (GGA) 21
