[論文レビュー] Interface control of emergent ferroic order in Ruddlesden-Popper Sr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$

Turan Birol, Nicole A. Benedek+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、エpitaxial strainが、反強磁性状態と強誘電性状態の間のほぼ縮退状態を可能にする一方で、Ruddlesden-Popper型 Sr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$薄膜における強誘電性歪みの垂直方向の相関長を制御するが、直接的に強誘電性を誘起するのではなく、垂直方向の相関長を制御することを示している。第一原理計算により、SrO/SrTiO$_3$界面における構造的緩和が、Ti-O-Ti鎖の相関を破り、n=1ではバルクのSrTiO$_3$で強誘電性を誘起するのに十分な歪みがあるにもかかわらず、面内極性不安定性を抑制することが明らかになった。強誘電性は、相関長が増加するに従い、より高いnで顕在化する。

ABSTRACT

We have discovered from first-principles an unusual polar state in the low n Sr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$ Ruddlesden-Popper (RP) layered perovskites in which ferroelectricity is nearly degenerate with antiferroelectricity, a relatively rare form of ferroic order. We show that epitaxial strain plays a key role in tuning the "perpendicular coherence length" of the ferroelectric mode, and does not induce ferroelectricity in these low dimensional RP materials as is well known to occur in SrTiO$_3$. These systems present an opportunity to manipulate the coherence length of a ferroic distortion in a controlled way, without disorder or a free surface.

研究の動機と目的

• 従来の有限サイズ効果が適用されない低次元のRuddlesden-Popper酸化物において、エpitaxial strainが強磁性秩序をどのように制御するかを理解すること。
• バルクのSrTiO$_3$で安定化されるのに十分な歪みがあるにもかかわらず、n=1のRP相でSrTiO$_3$に類似した強誘電性が出現しない理由を調査すること。
• ペロブスカイトスラブ全体にわたる極性モードの相関を損なう界面における構造的緩和の役割を明らかにすること。
• 強誘電モードの垂直方向の相関長が歪みによって調整可能であり、強誘電性と反強誘電性の競合状態にアクセス可能であることを示すこと。
• 不純物や自由表面を避けて、界面における相関長の制御によって酸化物ヘテロ構造における顕在する強磁性秩序を設計するための原則を提供すること。

提案手法

• VASPを用いた密度汎関数理論（DFT）計算で、PBEsol汎関数とPAW擬ポテンシャルを用い、平面波カットオフエネルギーを500 eVに設定した。
• ブリユアンゾーンの統合にΓ中心の8×8×8 kポイントメッシュを用い、構造的緩和の収束条件として0.5 meV/Åの力収束閾値を設定した。
• 異なる数のSrTiO$_3$層を含むスーパーセルを用いて、有効な調和ハミルトニアンをモデル化するための面間力定数（IPFC）を計算した。
• 原子力定数からIPFC行列を構築し、対称性を厳密に保つように対称化することで、固有値の誤差を1%未満に抑えた。
• nの関数としての面内極性フォノン振動数の分析により、指数関数的フィッティングを用いて相関長を抽出した。
• 第一原理的エネルギー差を用いて、強誘電状態と順磁状態のエネルギー差から、強誘電転移温度を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルクのSrTiO$_3$で強誘電性を誘起するに十分な歪みがあるにもかかわらず、n=1のSr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$でエpitaxial strainが面内強誘電性を誘起できないのはなぜか？
• RQ2 SrO/SrTiO$_3$界面における構造的緩和が、Ti-O-Ti鎖および極性歪みの相関にどのように影響するか？
• RQ3 低nのRP相において、エpitaxial strainが強誘電モードの垂直方向相関長をどの程度調整可能か？
• RQ4 層間結合および界面構造が、ほぼ縮退した強誘電性と反強誘電性の状態を安定化する役割を果たす程度は？
• RQ5 特にデポラリゼーション場がスクリーニングされる面内方向において、強磁性秩序の相関長を極性の方向とは独立に制御可能か？

主な発見

• n=1のSr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$では、バルクのSrTiO$_3$で強誘電性を誘起するに十分な歪みがあるにもかかわらず、界面でのTi-O-Ti鎖の相関が途切れるため、極性不安定性が誘発されない。
• nが増加するに従い、面内極性フォノン振動数は指数関数的に低下し、強誘電モードの相関長が増大していることが示され、単一の指数関数的減衰に良好にフィットした。
• n=1で1.7%の歪みを加えた場合、強誘電状態のエネルギー低下は約0.4 meV/f.u.であり、未歪みのバルクSrTiO$_3$と同等であり、量子ゆらぎが長距離秩序を抑制していると考えられる。
• n=2で1.1%の歪みを加えた場合、エネルギー低下は約0.4 meV/f.u.に達するが、n≥4で1.1%の歪みを加えた場合やn≥2で1.7%の歪みを加えた場合、エネルギー低下は8 meV/f.u.を超え、バルクSrTiO$_3$の8 meV/f.u.と同等であり、室温での強誘電性と一致する。
• 転移温度の推定値から、n≥4で1.1%の歪みを加えた場合やn≥2で1.7%の歪みを加えた場合、室温付近での強誘電転移を示す可能性がある。
• 界面における構造的緩和が強誘電モードの長距離相関を破り、系が相関長の歪みによる調整に敏感であるのに対し、直接的な極性誘起にはならない。