[논문 리뷰] Interface control of emergent ferroic order in Ruddlesden-Popper Sr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$

Turan Birol, Nicole A. Benedek외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 06.

Ferroelectric and Piezoelectric Materials인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 에피택셜 스트레인에 의해 루들레스던-파커(Sr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$) 투명 필름에서 반도체적 변형의 수직 공명 길이가 직접적으로 유도하는 것이 아니라, 반도체성과 반반도체성의 거의 일치하는 상태를 가능하게 함으로써 제어됨을 보여준다. 밀도-functional 이론(DFT) 계산은 SrO/SrTiO$_3$ 인터페이스에서의 구조적 완화가 Ti-O-Ti 체인의 연속성을 깨뜨리며, n=1일 때 비록 부품 상에서 반도체성을 유도할 수 있는 스트레인이 존재하더라도 면내 극성 불안정성을 억제함을 밝혀냈다. 반도체성은 n이 증가함에 따라 공명 길이가 증가함에 따라 나타난다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 유한 크기 효과가 적용되지 않는 저차원 루들레스던-파커 산화물에서 에피택셜 스트레인이 반도체성 질서를 어떻게 제어하는지 이해하는 것.
• 기존의 스트레인이 부품 상 SrTiO$_3$에서 안정화할 수 있음에도 불구하고, n=1 RP 상에서 SrTiO$_3$ 유사 반도체성이 나타나지 않는 이유를 조사하는 것.
• 퍼보스카이트 슬래브를 관통하는 극성 모드의 공명을 방해하는 인터페이스 구조적 완화의 역할을 탐색하는 것.
• 반도체성 모드의 수직 공명 길이가 스트레인에 의해 조절 가능함을 보여주어 반도체성과 반반도체성 상태 간의 경쟁에 접근할 수 있음을 입증하는 것.
• 불순물이나 자유 표면 없이도 인터페이스에서 공명 길이를 제어함으로써 산화물 이중구조에서의 잠재적인 반도체성 질서를 설계하는 원칙을 제공하는 것.

제안 방법

• VASP에서 PBEsol 함수와 PAW 허위파면을 사용한 밀도-functional 이론(DFT) 계산으로 500 eV 평면파 截단을 적용.
• 브릴루앙 영역 통합을 위해 Γ-중심 8×8×8 k-점 메쉬를 사용하고, 구조적 완화의 경우 0.5 meV/Å 힘 수렴 임계값을 설정.
• 다양한 수의 SrTiO$_3$ 층을 포함한 초세포에서의 면간 힘 상수(IPFC)를 계산하여 효과적인 조화 해밀토니안을 모델링.
• 원자 힘 상수에서 IPFC 행렬을 구성하고 대칭화하여 정확한 대칭성과 고유값 오차 <1%를 확보.
• n에 따른 면내 극성 격자 진동수를 분석하여 지수적 피팅을 통해 공명 길이를 추출.
• 반도체성 전이 온도를 제1원리 에너지 차이를 기반으로 반도체 상태의 에너지 손실과 반대칭 상태의 에너지 손실을 비교하여 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 기존의 스트레인이 부품 상 SrTiO$_3$에서 반도체성을 유도할 수 있음에도 불구하고, n=1 Sr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$에서 면내 반도체성 불안정성을 유도하지 못하는가?
• RQ2 SrO/SrTiO$_3$ 인터페이스에서의 인터페이스 구조적 완화는 Ti-O-Ti 체인과 극성 변형의 공명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 에피택셜 스트레인이 저n RP 상에서 반도체성 모드의 수직 공명 길이를 어느 정도 조절할 수 있는가?
• RQ4 층 간 결합과 인터페이스 구조는 거의 일치하는 반도체성-반반도체성 상태를 안정화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 특히 탈극화장이 선별되는 면내 방향에서, 반도체성 질서의 공명 길이를 극성 방향과 별개로 제어할 수 있는가?

주요 결과

• n=1 Sr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$에서 부품 상 SrTiO$_3$에서 반도체성을 유도할 수 있는 충분한 스트레인이 존재하나, 인터페이스에서 Ti-O-Ti 체인의 연속성이 끊어져 극성 불안정성이 유도되지 않는다.
• n이 증가함에 따라 면내 극성 격자 진동수는 지수적으로 감소하며, 이는 반도체성 모드의 공명 길이가 증가하고 있음을 나타내며, 단일 지수 감쇠로 잘 맞는다.
• n=1에서 1.7% 스트레인 조건에서 반도체 상태의 에너지 손실은 약 0.4 meV/f.u.이며, 비틀린 부품 상 SrTiO$_3$와 유사하여 양자 플럭츄에이션에 의해 장거리 질서가 억제됨을 시사한다.
• n=2에서 1.1% 스트레인 조건에서는 에너지 손실이 약 0.4 meV/f.u.에 도달하며, n≥4에서 1.1% 스트레인 또는 n≥2에서 1.7% 스트레인 조건에서는 에너지 손실이 8 meV/f.u.를 초과하여 부품 상 SrTiO$_3$의 8 meV/f.u.와 유사하며 실온에서의 반도체성과 유사한 상태를 나타낸다.
• 전이 온도 추정치에 따르면, n≥4에서 1.1% 스트레인 또는 n≥2에서 1.7% 스트레인 조건에서는 실온 근처에서 반도체 전이를 나타낼 수 있다.
• 인터페이스 구조적 완화는 반도체성 모드의 장거리 공명을 방해하며, 이는 시스템이 극성 유도보다는 공명 길이의 스트레인 조절에 민감하게 반응함을 의미한다.