[論文レビュー] Effect of oxygen vacancy on structural, electronic and magnetic properties of La-based oxide interfaces

Urmimala Dey, Swastika Chatterjee+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2017

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 41被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて、酸素空孔（OVs）がランタン酸化物異種界面におけるアンチサイト不全、構造的歪み、電子的および磁気的性質に与える影響を調査した。その結果、特定の酸化物ペアに応じて、OVsはアンチサイト不全を抑制または促進することが判明し、酸素部分圧を成長パラメータとして用いることで、酸化物異種構造における界面不全を制御し、望ましい電子状態を安定化させることの道筋が示された。

ABSTRACT

Disorder, primarily in the form of oxygen vacancies, cation stoichiometry and atomic inter-diffusion, appear to play vital roles in the electronic and transport properties of the metallic electron liquid at the oxide hetero-interfaces. Antisite disorder is also understood to be a key player in this context. In order to delineate the roles of two of these key factors, oxygen vacancy and antisite disorder, we have investigated the effect of oxygen vacancy on the antisite disorder at a number of interfaces separating two La-based transition metal oxides using density functional theory. Oxygen vacancy is found to suppress the antisite disorder in some heterostructures and thereby stabilizes the ordered structure, while in some other systems it tends to drive the disorder. Thus by controlling the oxygen partial pressure during the growth, it is possible to engineer the antisite disorder in many oxide heretostructures.

研究の動機と目的

• 酸素空孔（OVs）がランタン酸化物異種界面におけるアンチサイト不全をどのように制御するかを理解すること。
• OVsがこれらの系における構造的歪み、電子構造、および磁気的性質に与える影響を特定すること。
• OVsによって安定化または不安定化される異種構造を同定し、界面不全の予測的制御を可能とすること。
• 成長条件の調整によって、所望の電子的および磁気的性質を有する酸化物異種構造を設計するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• GGA-PBE交換相関関数を用いたVASPコードを用いた第一原理DFT計算。
• 文献値から得たUおよびJ値を用いて、La-4fおよび遷移金属3d状態に局所的クーロンU補正（GGA+U）を組み込む。
• 周期的境界条件を用いた超格子異種構造（LaAO3/LaA'O3）の構築。
• 酸素空孔の有無の両方の状況で、アンチサイト欠陥の生成エネルギーを計算。
• 構造的および電子的効果を評価するため、六面体体積の歪み、電子密度、および格子ひずみの分析。
• 遷移金属AおよびA'が異なる21種のランタン酸化物異種構造（LaAO3/LaA'O3）を体系的に比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 酸素空孔の存在が、ランタン酸化物異種構造におけるアンチサイト欠陥の生成エネルギーにどのように影響するか？
• RQ2 どのLaAO3/LaA'O3系において酸素空孔がアンチサイト不全を抑制し、どの系で促進するか？
• RQ3 格子歪みおよび六面体体積の変化が、酸素空孔の存在下で不全相または秩序相を安定化させる役割を果たすか？
• RQ4 酸素空孔が界面における電子密度および共有結合性に与える影響は何か、特にコバルトおよびマンガンを基盤とする酸化物において。
• RQ5 成長過程における酸素部分圧を、アンチサイト不全を制御し、結果として電子的性質を調整するための制御パrameterとして用いることができるか？

主な発見

• LaCoO3/LaCrO3およびLaCoO3/LaMnO3において、CoO6の六面体体積標準偏差が0.27–0.30 Åから0.54–0.73 Åに、CrO6/MnO6では0.28–0.23 Åから0.90–0.34 Åに増加し、歪みおよびひずみ緩和が強化されたことが示された。
• LaCoO3/LaCrO3において、AおよびA'面間の六面体体積差は、秩序状態では0.3782 Åから、酸素空孔存在下では0.0412 Åに低下し、不全状態の安定化が示された。
• LaNiO3/LaCoO3において、酸素空孔によりNiO6六面体の標準偏差が0.23 Åから0.12 Åに低下し、不全の抑制が確認された。
• 電子密度解析から、界面における共有結合性が酸素空孔によって強化され、特にコバルトおよびマンガン系系においてアンチサイト不全構造が安定化された。
• 酸素空孔の存在は、特定のAおよびA'遷移金属ペアに応じて、アンチサイト不全を抑制または促進することがあり、LaCrO3/LaTiO3およびLaMnO3/LaCrO3のような系では、OV下で不全が抑制された。
• 本研究では、酸素空孔がアンチサイト不全を抑制する10の異種構造（例：LaCoO3/LaCrO3、LaCoO3/LaMnO3）を同定した一方で、残りの11の異種構造では不全が促進され、酸素部分圧によるチューニングの可能性が示された。