[논문 리뷰] Effect of oxygen vacancy on structural, electronic and magnetic properties of La-based oxide interfaces

Urmimala Dey, Swastika Chatterjee외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 07.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 41인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 라운드산 기반 산화물 이방면에서 산소 공석(OVs)이 반데르발스 결합 불순물, 구조적 비정상성, 전자적 성질 및 자성에 미치는 영향을 밀도함수이론(DFT)을 사용하여 조사한다. OVs는 특정 산화물 조합에 따라 반데르발스 결합 불순물을 억제하거나 증가시키며, 이는 산화물 이방면에서 원하는 전자적 상을 안정화시키기 위해 성장 조건에서 산소 부분압력을 제어할 수 있음을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 산소 공석(OVs)이 라운드산 기반 산화물 이방면에서 반데르발스 결합 불순물 조절에 미치는 역할을 이해하는 것.
• OVs가 이러한 시스템에서 구조적 비정상성, 전자 구조 및 자성 성질에 미치는 영향을 규명하는 것.
• OVs에 의해 안정화되거나 불안정화되는 이방면을 특정화하여 이방면 불순물의 예측적 제어를 가능하게 하는 것.
• 성장 조건 조절을 통해 맞춤형 전자적 및 자성 성질을 갖는 산화물 이방면을 설계하기 위한 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• GGA-PBE 교환-상관 함수를 사용한 VASP 코드를 활용한 최초 원리 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 문헌에서 유도된 U 및 J 값으로 라운드산-4f 및 전이금속 3d 상태에 대해 국소 전하 상호작용 U 보정(GGA+U)을 통합.
• 주기적 경계 조건을 갖는 초격자 이방면 구조물(LaAO3/LaA'O3)의 구축.
• 산소 공석 유무에 따라 반데르발스 결함 형성 에너지를 계산.
• 구조적 및 전자적 영향 평가를 위해 정육면체 체적 비정상성, 전하 밀도 및 격자 응력 분석.
• 다양한 전이 금속 A 및 A'를 갖는 21종의 라운드산 기반 산화물 이방면(LaAO3/LaA'O3)에 대한 체계적 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산소 공석이 존재할 경우, 라운드산 기반 산화물 이방면에서 반데르발스 결함의 형성 에너지는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 LaAO3/LaA'O3 시스템 중 산소 공석이 반데르발스 결합 불순물을 억제하는 경우와 증가시키는 경우는 각각 어떤가?
• RQ3 산소 공석 존재 시, 격자 비정상성과 정육면체 체적 변화가 순서 정렬된 상태 또는 불순물 상태를 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 산소 공석은 특히 Co 및 Mn 기반 산화물에서 이방면의 전하 밀도 및 공유성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 성장 중 산소 부분압력을 조절하여 반데르발스 결합 불순물과 전자적 성질을 조절할 수 있는가?

주요 결과

• LaCoO3/LaCrO3 및 LaCoO3/LaMnO3에서 산소 공석 존재 시 CoO6의 정육면체 체적 표준편차는 0.27–0.30 Å에서 0.54–0.73 Å로 증가하고, CrO6/MnO6에서는 0.28–0.23 Å에서 0.90–0.34 Å로 증가하여 비정상성 및 응력 완화가 증가함을 나타낸다.
• LaCoO3/LaCrO3에서 A 및 A' 평면 간 정육면체 체적 차이는 순서 정렬 상태일 경우 0.3782 Å에서 산소 공석 존재 시 0.0412 Å로 감소하여 불순물 상태의 안정화를 나타낸다.
• LaNiO3/LaCoO3에서 산소 공석 존재 시 NiO6 정육면체의 표준편차는 0.23 Å에서 0.12 Å로 감소하여 불순물 억제를 나타낸다.
• 전하 밀도 분석을 통해 산소 공석이 이방면에서 공유성 강도를 증가시키며, 이는 Co 및 Mn 기반 시스템에서 반데르발스 불순물 상태를 안정화시킨다.
• 산소 공석 존재 시 특정 A 및 A' 전이 금속 조합에 따라 반데르발스 결합 불순물을 억제하거나 증가시키며, LaCrO3/LaTiO3 및 LaMnO3/LaCrO3 시스템에서는 산소 공석 존재 시 불순물 억제를 보인다.
• 연구는 산소 공석이 반데르발스 결합 불순물을 억제하는 10종의 이방면을 특정하였으며(예: LaCoO3/LaCrO3, LaCoO3/LaMnO3), 나머지 11종은 불순물 증가를 보여 산소 부분압력 조절을 통한 제어 가능성을 입증한다.