[论文解读] Effect of oxygen vacancy on structural, electronic and magnetic properties of La-based oxide interfaces

Urmimala Dey, Swastika Chatterjee+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2017

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 41被引用 3

一句话总结

本研究采用密度泛函理论（DFT）研究氧空位（OVs）对镧基氧化物异质界面处反位无序、结构畸变、电子结构及磁性性质的影响。结果表明，氧空位可依据具体氧化物对的不同而抑制或增强反位无序，从而可通过调控氧部分压作为生长参数，实现对异质界面无序性的工程调控，并稳定所需的电子相态。

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.

研究动机与目标

• 理解氧空位（OVs）在调控镧基氧化物异质界面处反位无序中的作用。
• 确定氧空位如何影响这些体系中的结构畸变、电子结构和磁性性质。
• 识别哪些异质结构在氧空位存在下被稳定或 destabilized，从而实现对界面无序性的预测性控制。
• 提供一个框架，通过调控生长条件来设计具有定制化电子和磁性性质的氧化物异质结构。

提出的方法

• 使用VASP代码进行基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）计算，采用GGA-PBE交换关联泛函。
• 对La-4f和过渡金属3d态引入局域库仑U修正（GGA+U），U和J值采用文献数据。
• 构建LaAO3/LaA'O3超晶格异质结构，采用周期性边界条件。
• 计算在有无氧空位条件下反位缺陷的形成能。
• 通过分析八面体体积畸变、电荷密度和晶格应变，评估结构和电子效应。
• 系统比较21种镧基氧化物异质结构（LaAO3/LaA'O3），其中A和A'为不同过渡金属。

实验结果

研究问题

• RQ1 氧空位的存在如何影响镧基氧化物异质结构中反位缺陷的形成能？
• RQ2 在哪些LaAO3/LaA'O3体系中，氧空位抑制反位无序，而在哪些体系中促进其形成？
• RQ3 在氧空位存在下，晶格畸变和八面体体积变化在稳定无序或有序相中起何种作用？
• RQ4 氧空位如何影响界面处的电荷密度和共价性，特别是在钴和锰基氧化物中？
• RQ5 生长过程中是否可将氧部分压作为控制参数，用于工程化反位无序并进而调节电子性质？

主要发现

• 在LaCoO3/LaCrO3和LaCoO3/LaMnO3中，CoO6的八面体体积标准差从0.27–0.30 Å增加至0.54–0.73 Å，CrO6/MnO6的八面体体积标准差从0.28–0.23 Å增加至0.90–0.34 Å，表明畸变增强和应变弛豫加剧。
• 在LaCoO3/LaCrO3中，A与A'平面间八面体体积差从有序态的0.3782 Å降至含氧空位时的0.0412 Å，表明无序态得到稳定。
• 在LaNiO3/LaCoO3中，氧空位使NiO6八面体的标准差从0.23 Å降低至0.12 Å，表明无序被抑制。
• 电荷密度分析显示，氧空位增强了界面处的共价性，从而稳定了钴和锰基体系中的反位无序构型。
• 氧空位的存在可依据A和A'过渡金属对的不同而抑制或促进反位无序，例如在LaCrO3/LaTiO3和LaMnO3/LaCrO3中观察到无序抑制。
• 本研究识别出10种异质结构中氧空位抑制反位无序（如LaCoO3/LaCrO3、LaCoO3/LaMnO3），而其余11种则显示无序促进，表明可通过氧部分压实现可调性。