[论文解读] 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 3

一句话总结

该论文表明，在Ruddlesden-Popper相Sr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$薄膜中，外延应变通过调控铁电畸变的垂直相干长度而非直接诱导铁电性，从而实现铁电性与反铁电性之间的近简并态。从头算计算揭示，在SrO/SrTiO$_3$界面处的结构弛豫会破坏Ti-O-Ti链的相干性，即使在n=1时应变足以在体相SrTiO$_3$中诱导铁电性，仍会抑制面内极性不稳定性，而铁电性仅在更高n值时因相干长度增加而出现。

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.

研究动机与目标

• 理解外延应变如何在传统有限尺寸效应不适用的低维Ruddlesden-Popper氧化物中调控铁性序。
• 探究尽管应变足以在体相SrTiO$_3$中稳定化，为何SrTiO$_3$型铁电性在n=1的RP相中不出现。
• 探讨界面结构弛豫对钙钛矿层间极化模式相干性的影响。
• 证明通过应变可调铁电模式的垂直相干长度，从而实现铁电性与反铁电性竞争状态的调控。
• 为通过界面控制相干长度来设计氧化物异质结构中的新兴铁性序提供设计原则，避免引入无序或自由表面。

提出的方法

• 使用VASP软件中的PBEsol泛函和PAW赝势进行密度泛函理论（DFT）计算，平面波截断能为500 eV。
• 采用Γ中心的8×8×8 k点网格进行布里渊区积分，结构弛豫的力收敛阈值为0.5 meV/Å。
• 通过改变SrTiO$_3$层层数的超胞计算层间力常数（IPFC），以建立有效谐波哈密顿量。
• 从原子力常数构建IPFC矩阵，并通过对称化处理确保完美对称性及本征值误差小于1%。
• 通过n值变化的面内极性声子频率分析，利用指数拟合提取相干长度。
• 基于铁电态与顺电态之间的第一性原理能量差，估算铁电转变温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何外延应变在n=1的Sr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$中无法诱导面内铁电性，尽管其在体相SrTiO$_3$中可实现？
• RQ2 SrO/SrTiO$_3$界面处的界面结构弛豫如何影响Ti-O-Ti链和极性畸变的相干性？
• RQ3 外延应变在低n的RP相中可将铁电模式的垂直相干长度调节到何种程度？
• RQ4 层间耦合与界面结构在稳定近简并铁电-反铁电态中起什么作用？
• RQ5 能否独立于极化方向（特别是在退极化场被屏蔽的面内方向）控制铁性序的相干长度？

主要发现

• 在n=1的Sr$_{n+1}$Ti$_n$O$_{3n+1}$中，尽管外延应变足以在体相SrTiO$_3$中诱导铁电性，但由于界面处Ti-O-Ti链相干性的破坏，无法触发极性不稳定性。
• 随着n值增加，面内极性声子频率呈指数下降，表明铁电模式的相干长度逐渐增长，且能被单一指数衰减函数良好拟合。
• 在1.7%应变下，n=1时铁电态的能量收益约为0.4 meV/f.u.，与未应变的体相SrTiO$_3$相当，表明量子涨落抑制了长程有序。
• 在1.1%应变下，n=2时能量收益达到约0.4 meV/f.u.；而当n≥4在1.1%应变下或n≥2在1.7%应变下时，能量收益超过8 meV/f.u.，与体相SrTiO$_3$的8 meV/f.u.相当，且与室温下的铁电性一致。
• 转变温度估算表明，当n≥4在1.1%应变下或n≥2在1.7%应变下时，系统可能在室温附近出现铁电转变。
• 界面结构弛豫破坏了铁电模式的长程相干性，使系统对相干长度的应变调制敏感，而非直接依赖于极化诱导。