[論文レビュー] Ab-initio study of BaTiO3 surfaces

J. Padilla, David Vanderbilt|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 1997

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用数 4

ひとこと要約

このab-initio研究では、テトラゴナル相および立方相のBaTiO3 (001)表面の電子的および構造的性質を、BaO終末型（タイプI）およびTiO2終末型（タイプII）の構成に焦点を当てて調査している。完全な原子緩和を伴う第一原理総エネルギー計算を用いた結果、深く隙間状態は検出されず、特に立方相においてタイプII表面ではバンドギャップが小さくなることが判明した。また、顕著な表面緩和エネルギーが存在するにもかかわらず、フェロエレクトリシティの表面近傍での増幅はわずかにとどどまる。

ABSTRACT

We have carried out first-principles total-energy calculations of (001) surfaces of the tetragonal and cubic phases of BaTiO3. Both BaO-terminated (type I) and TiO2-terminated (type II) surfaces are considered, and the atomic configurations have been fully relaxed. We found no deep-gap surface states for any of the surfaces, in agreement with previous theoretical studies. However, the gap is reduced for the type-II surface, especially in the cubic phase. The surface relaxation energies are found to be substantial, i.e., many times larger than the bulk ferroelectric well depth. Nevertheless, the influence of the surface upon the ferroelectric order parameter is modest; we find only a small enhancement of the ferroelectricity near the surface.

研究の動機と目的

• テトラゴナル相および立方相におけるBaTiO3 (001)表面の電子構造と安定性を理解すること。
• 表面終末（BaO対TiO2）が表面電子状態およびバンドギャップ形成に与える影響を調査すること。
• 表面緩和がBaTiO3におけるフェロエレクトリック秩序パラメータに与える影響を評価すること。
• 深く隙間状態が出現するかどうかを特定すること。これは、表面の電気的伝導性および電子的挙動に影響を及える可能性がある。
• 表面緩和エネルギーを定量的に算出し、バルクフェロエレクトリック井戸の深さと比較すること。

提案手法

• 局所密度近似（LDA）を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）総エネルギー計算を実施した。
• BaO終末型（タイプI）およびTiO2終末型（タイプII）の両方の構成を有するBaTiO3 (001)表面のスラブモデルを構築した。
• 表面原子の完全な原子緩和を実行し、平衡表面構造を特定した。
• 表面状態およびバンドギャップ挙動を分析するために、電子バンド構造および状態密度を計算した。
• 表面緩和エネルギーを算出し、バルクフェロエレクトリック井戸の深さと比較した。
• 表面近傍におけるフェロエレクトリック秩序パラメータの空間的変化を分析し、その増幅を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テトラゴナル相または立方相において、BaTiO3 (001)表面に深く隙間状態が存在するか？
• RQ2 表面終末（BaO 対 TiO2）が、BaTiO3表面のバンドギャップおよび電子構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 表面緩和エネルギーの大きさはどの程度であり、バルクフェロエレクトリック井戸の深さと比較してどうなるか？
• RQ4 表面近傍におけるフェロエレクトリック秩序パラメータはどの程度増幅されるか？
• RQ5 BaTiO3のテトラゴナル相と立方相との間で、表面の電子構造はどのように異なるか？

主な発見

• 検討されたすべての表面に対して深く隙間状態は検出されず、以前の理論的知見と整合的であった。
• タイプII（TiO2終末型）表面ではバンドギャップが小さくなり、特に立方相において顕著であった。これは、ギャップ端縁に近い電子状態の増加を示唆している。
• 表面緩和エネルギーは顕著に大きく、バルクフェロエレクトリック井戸の深さを数倍上回っていた。
• フェロエレクトリック秩序パラメータは表面近傍での増幅がわずかにとどまり、表面効果がバルクフェロエレクトリシティに与える影響は限定的であることを示している。
• 立方相におけるTiO2終末型表面の電子構造は、最も顕著なバンドギャップの縮小を示した。
• 結果から、BaTiO3における表面効果は主に構造的およびエネルギー的性質に起因し、電子的性質に起因するものではないと示唆されており、長距離フェロエレクトリック秩序にほとんど影響を与えない。