[論文レビュー] Ab initio study of BaTiO3 and PbTiO3 surfaces in external electric fields

Bernd Meyer, David Vanderbilt|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2000

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、第一原理的超ソフト擬ポ텐シャル法を用いて、外部電場下におけるBaTiO3およびPbTiO3 (001)表面の強誘電体安定性をab initio的に調査した。7層スラブのBaO終末BaTiO3およびTiO2終末PbTiO3に対しても、表面に垂直な分極の強い不安定性の兆候が示され、実験的観察を確認するとともに、表面の緩和および適切な電気的境界条件（特に、内部電場ゼロの短絡条件）が、人工的な周期的境界条件よりも極めて重要であることが明らかになった。

ABSTRACT

For the ferroelectric perovskite compounds BaTiO3 and PbTiO3, we have studied the effects of external electric fields on the structural properties of the (001) surfaces. The field-induced changes in the surface interlayer spacings and bucklings have been calculated using a first-principles ultrasoft-pseudopotential approach, and the change of the polarization and the ferroelectric distortions in the surface layers have been obtained. The surfaces are represented by periodically repeated slabs, and an external dipole layer is included in the vacuum region of the supercells to control the electric field normal to the surfaces. The influence of the electrical boundary conditions on the ferroelectric properties of the slabs is discussed. In the case of a vanishing internal electric field, our study indicates that even very thin slabs can show a ferroelectric instability.

研究の動機と目的

• 薄い薄膜幾何形状における、欠陥のない理想的な(001)表面のBaTiO3およびPbTiO3の強誘電体安定性を調査すること。
• 特に内部電場ゼロの短絡条件（short-circuit condition）を含む物理的に正確な電気的境界条件を適用することで、先行研究における矛盾を解消すること。
• 外部要因に起因する欠陥とは独立して、薄いスラブが表面に垂直な自発分極を維持できるかどうかを特定すること。
• 適用された外部電場下での表面緩和および分極の変化を分析すること。
• BaO/PbO終末とTiO2終末の違いが、強誘電体歪みおよび分極に与える影響を比較すること。

提案手法

• 周期的反復スラブの電子状態をモデル化するために、第一原理的密度汎関数理論と超ソフト擬ポテンシャルを用いた。
• 外部電場を模倣し、内部電場ゼロ（短絡境界条件）を強制するために、スーパセルの真空領域に電気双極子層を導入した。
• 適用された電場の関数として、表面の層間隔、原子の湾曲、分極の変化を計算した。
• BaTiO3およびPbTiO3のBaO終末およびTiO2終末表面を、7層にまで薄いスラブで取り扱った。
• 内部電場対外部電場の傾きを分析し、強誘電体不安定性を検出するため、負の傾きが不安定性を示すと判断した。
• スラブ厚さの不確実性を推定することで、傾きに基づく不安定性指標の信頼性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 欠陥のない理想的な(001)スラブのBaTiO3およびPbTiO3は、表面に垂直な分極を有する強誘電体基底状態を維持できるか？
• RQ2 物理的に正確な電気的境界条件が適用された場合、外部電場下での表面緩和および分極はどのように変化するか？
• RQ3 表面終末（BaO/PbO 対 TiO2）が、薄膜における強誘電体秩序の安定化または不安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 強誘電体不安定性はスラブ厚さにどのように依存し、7層スラブでも検出可能か？
• RQ5 表面での構造的緩和は、有効ハミルトニアンモデルの予測をどの程度変更するか？

主な発見

• BaO終末BaTiO3スラブおよびTiO2終末PbTiO3スラブ（7層）において、内部電場対外部電場の初期傾きはそれぞれ−9.1×10⁻³および−7.6×10⁻³であり、強い強誘電体不安定性を示している。
• 7層スラブのBaTiO3の分極は約4×10⁻³ e/bohr²に達し、BaTiO3のバルク自発分極に近く、非常に高い値を示している。
• 分極が表面に向かって内向きを向いている場合、表面分極は強化される。一方、外向きを向いている場合、表面分極は減少する。これは構造的緩和に起因する。
• TiO2終末BaTiO3スラブでは初期傾きが正（+2.6×10⁻³）であり、明確な不安定性は示さないが、厚さの決定に不確実性があるため、信頼性に欠ける。
• PbO終末PbTiO3スラブも初期傾きが正（+2.6×10⁻³）であるが、同様に厚さの不確実性のため、不安定性に関する明確な結論は得られない。
• 本研究では、人工的な周期的境界条件やゼロ電場仮定が物理的に不正確であることが確認された。短絡境界条件は、強誘電体薄膜の正確なモデル化に不可欠である。