[論文レビュー] Electric-Field Gradient at Cd Impurities in In2o3. A FLAPW Study

L. A. Errico, M. Rentería+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2004

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、ab initio FLAPW計算を用いて、In2O3中のCd不純体における電場勾配（EFG）テンソルを正確に予測した。構造的歪みと電子的効果—点電荷モデルを超える要因—を自己無撞撃的に取り入れる必要があることを示した。結果は実験的PACデータと良好に一致し、CdサイトにおけるEFGはイオンモデルだけでは記述できないことが証明された。

ABSTRACT

We report an ab initio study of the electric-field gradient tensor (EFG) at Cd impurities located at both inequivalent cationic sites in the semiconductor In2O3. Calculations were performed with the FLAPW method, that allows us to treat the electronic structure of the doped system and the atomic relaxations introduced by the impurities in the host lattice in a fully self-consistent way. From our results for the EFG (in excellent agreement with the experiments), it is clear that the problem of the EFG at impurities in In2O3 cannot be described by the point-charge model and antishielding factors.

研究の動機と目的

• 第一原理的手法を用いて、In2O3中のCd不純体における電場勾配（EFG）を正確に予測すること。
• 点電荷モデル（PCM）およびアンチシールド要因が、In2O3のカチオンサイトにおけるEFGを記述する有効性を評価すること。
• Cdドーピングによって誘発される電子構造および原子の歪みがEFGテンソルに与える影響を調査すること。
• 経験的パラメータに依存せずに、ドーピング酸化物におけるEFGの自己無撞撃的理論的記述を提供すること。
• ビクスビライト構造をとる酸化物におけるEFGについて、実験的PAC測定値と従来の理論モデルとの不一致を解消すること。

提案手法

• 完全ポテンシャル線形化APW（FLAPW）法をWIEN97.10コード内で用い、完全に自己無撞撃的な電子構造計算を実施した。
• 交換相関効果には一般化勾配近似（GGA）を用い、In-4p, 4d, O-2sおよびCd-4p, 4d状態に局所軌道を含めた。
• イオンの力が収束するまで繰り返し原子移動ステップを用いて、構造的歪みを実行した。
• 自己無撞撃ポテンシャルの格子調和関数展開から、EFGテンソル成分（V33, η）を計算した。
• 電荷状態の効果を考慮するため、セルに1電子を追加し、中性を維持するために一様な正の背景を導入した。
• パラメータ選定（RKMAX=7, k点グリッド）を、RKMAX=6および8のテストにより検証し、収束を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FLAPW法は、構造的歪みを含めて、In2O3中のCd不純体におけるEFGを正確に予測できるか？
• RQ2 点電荷モデル（PCM）は、特にサイトCにおいて、CdドーピングされたIn2O3におけるEFGを正確に記述できるか？
• RQ3 Cdドーピングによって誘発される原子の歪みは、EFGテンソルの大きさ、対称性、および方向にどのように影響を与えるか？
• RQ4 電子的効果および非球面的電荷分布は、In2O3におけるEFGのイオンモデルをどれほど無効にするか？
• RQ5 自己無撞撃的電子構造計算により、EFG予測における経験的アンチシールド要因の必要性は排除できるか？

主な発見

• サイトDにおけるCdでは、FLAPWで得られたV33は+7.6 × 10^21 V/m²であり、実験値の7.71 × 10^21 V/m²とη=0.00と良好に一致した。
• サイトCにおけるCdでは、FLAPW結果はV33 = +5.6 × 10^21 V/m²、η = 0.68を示し、実験値のV33 = 5.91 × 10^21 V/m²およびη = 0.691と良好に一致した。
• 構造的歪みにより、Cd–O近接原子距離が平均して約5%増加し、非等方的効果がEFGの対称性を変化させた。
• PCMはサイトCでは失敗し、負のV33（−4.9 × 10^21 V/m²）を予測したが、これはFLAPWおよび実験結果と矛盾する。
• 歪み後のCd–O距離をPCMに投入しても、一致は依然として悪く、イオンモデルを超える電子的効果が不可欠であることを示した。
• 本研究は、In2O3中のCd不純体におけるEFGは、点電荷モデルやアンチシールド要因では記述できないと結論づけ、完全に自己無撞撃的な電子構造処理が不可欠であると結論づけた。