[論文レビュー] Enhanced polarization in strained BaTiO$_3$ from first principles

Jeffrey B. Neaton, Chien-Lan Hsueh+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2002

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論を用いた第一原理的アプローチにより、エピタキシャル圧縮ひずみが、歪みの不一致度が -2.28% のとき、正方晶 BaTiO3 の自己分極を最大69%（24.97から42.12 μC/cm²）向上させることを示している。これは、テトラゴナリティの増加と極性歪みの安定化に起因する。増幅された分極は、ひずみによって引き起こされるc軸方向の格子拡張に起因し、これが強誘電体不安定性を増大させる。この現象は、分極のBerry位相形式および振動モードの凍結フォノン計算により検証されている。

ABSTRACT

The structure, polarization, and zone-center phonons of bulk tetragonal BaTiO$_3$ under compressive epitaxial stress are calculated using density functional theory within the local density approximation. The polarization, computed using the Berry-phase formalism, increases with increasing tetragonality and is found to be enhanced by nearly 70% for the largest compressive misfit strain considered (-2.28%). The results are expected to be useful for the analysis of coherent epitaxial BaTiO$_3$ thin films and heterostructures grown on perovskite substrates having a smaller lattice constant, such as SrTiO$_3$.

研究の動機と目的

• ボトムアップの正方晶BaTiO3におけるエピタキシャル圧縮ひずみの構造的・電子的・強誘電的性質に及ぼす影響を調査すること。
• 第一原理的手法を用いて、ひずみがBaTiO3における自発分極にどのように影響を与えるかを特定すること。
• エピタキシャル薄膜および異種積層構造に特有の条件下における、高ひずみ状態のBaTiO3の安定性および誘電応答を評価すること。
• 特に、格子定数が小さいSrTiO3などの基板上での酸化物異種積層構造における強誘電性の強化を設計する理論的基盤を提供すること。
• 歪み状態下におけるゾーン中心フォノンの進化を、歪み状態および誘電応答のプローブとして分析すること。

提案手法

• 歪みのあるBaTiO3の基底状態構造を計算するために、局所密度近似（LDA）における密度汎関数理論（DFT）が用いられている。
• ヴァンス・アビ・イニシャチオ・シミュレーション・パッケージ（VASP）を用い、プロジェクター拡張波（PAW）ポテンシャルにより、高精度な電子構造計算が可能となっている。
• 分極の計算には、ゲージ不変性と高精度を保証するため、Berry位相形式が用いられている。
• 力定数行列およびフォノン周波数は、c軸方向に格子定数の0.1%の原子変位を用いた凍結フォノンアプローチにより得られている。
• 構造的緩和は、Hellmann-Feynman力が10⁻³ eV/Å未満になるまで実施され、6×6×6のkポイントメッシュと50 Ryの平面波カットオフが用いられている。
• ひずみは、ゼロひずみ状態の格子定数に対する不一致度が0%から-2.28%の範囲で、面内格子定数を固定することによって適用されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧縮エピタキシャルひずみは、正方晶BaTiO3の自発分極にどのように影響を与えるか？
• RQ2 共格エピタキシャルひずみ下で、BaTiO3における最大の分極強化はどの程度達成可能か？
• RQ3 増加する圧縮ひずみに伴い、ゾーン中心フォノン周波数はどのように変化するか？ これは誘電応答にどのような含意を持つのか？
• RQ4 室温におけるBaTiO3の強誘電相は、どの程度ひずみによって安定化されるか？
• RQ5 第一原理的手法を用いて、分極のひずみ誘発強化を予測および定量的に評価できるか？

主な発見

• 不一致度が-2.28%のとき、BaTiO3の自発分極はゼロひずみ状態の24.97 μC/cm²から42.12 μC/cm²にまで69%増加した。
• 分極強化は、c/a比の増加（0%ひずみ時1.0110 → -2.28%ひずみ時1.0719）と直接相関している。
• TiおよびOのサブラティスは、ひずみに伴いc軸方向の変位が増加する。ΔTiは0.0122（無次元単位）から0.0179に増加し、OIIの変位はより負の値をとるようになる。
• ゾーン中心のA1およびB1フォノンモードは、ひずみに伴い硬くなる。A1モードは503 cm⁻¹から549 cm⁻¹に増加し、動的安定性の向上を示している。
• ひずみエネルギー（ΔE）は不一致度に比例して増加し、-2.28%で1ユニットセルあたり71.26 meVに達する。これは、分極の増加とひずみのコストのトレードオフを示している。
• 本結果は、SrTiO3基板（約2%の格子不一致）上に形成されたBaTiO3が、共格性を保ちつつ顕著な分極強化を達成できることを裏付け、強誘電体デバイスへの応用を支持している。