Begrijpen hoe defecten de eigenschappen van de grondtoestand kunnen beïnvloeden, faseovergangen bevorderen, of het mogelijk maken van geheel nieuwe functionaliteiten in sommige sterk gecorreleerde oxiden is een onderwerp van groot belang geworden op het gebied van ontwerp en ontdekking van nieuwe functionele materialen. SrMnO ₃ (SMO) is een bijzonder interessant voorbeeld, maar een betere karakterisering is nodig. MARVEL-onderzoekers hebben nu een methode ontwikkeld die kan leiden tot nauwkeurigere voorspellingen van de energie van defecten die verband houden met in-gap-toestanden in halfgeleiders of isolatoren.

Sommige perovskietoxiden, bijvoorbeeld, hebben een breed spectrum van technologisch relevante functionele eigenschappen getoond, zoals ferro-elektriciteit en magnetisme, die via spanning kunnen worden afgestemd. Deformatie, echter, koppelt ook aan de defectchemie om de eigenschappen van het materiaal te bepalen.

SrMnO ₃ (SMO) is een bijzonder interessant voorbeeld voor het onderzoeken van de functionaliteit die het resultaat is van een complex samenspel van spanning, magnetische orde, polaire vervormingen, en zuurstofvacatures die alomtegenwoordige defecten zijn in deze materialen. Vooral, theorie heeft voorspeld dat SMO-dunne films van antiferromagnetisch naar ferromagnetisch veranderen met toenemend zuurstoftekort, die wordt ondersteund door recente experimentele studies.

Deze eerdere voorspellingen waren echter gebaseerd op berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) die een correctie U bevatten op basis van de elektronische en magnetische eigenschappen van stoichiometrische manganieten. Hoewel de opname van U - bedoeld om de zelfinteractie van elektronen in complexe oxiden te corrigeren - in dergelijke materialen noodzakelijk is, de specifieke keuze van U op basis van stoichiometrische materiaaleigenschappen zou kunnen leiden tot mogelijke tekortkomingen in de beschrijving van defecte SMO-mangaanionen rond het defect hebben een andere coördinatieomgeving.

Afhankelijk van de laadtoestand van het defect, een bijkomend probleem houdt verband met de beschrijving van meerdere oxidatietoestanden die aanwezig zijn in defecte SMO. De vorming van zuurstofvacatures wordt over het algemeen ladingsgecompenseerd door een reductie van de oxidatietoestand (OS) van mangaanionen naast de vacature, die dus niet goed kan worden beschreven door dezelfde U.

Dit is de reden waarom Chiara Ricca en collega's van de Universiteit van Bern besloten dat het van cruciaal belang was om rekening te houden met lokale structurele en chemische effecten voor elke overgangsmetaallocatie in het oxide bij het streven naar een nauwkeurige beschrijving van defecte SMO. In samenwerking met een team in het THEOS-lab van Nicola Marzari, die onlangs een op dichtheidsfunctionele verstoringstheorie (DFPT) gebaseerde benadering heeft ontwikkeld om U-parameters te berekenen, ze gebruikten zelfconsistente plaatsafhankelijke U-waarden berekend op basis van de eerste principes om de defectchemie en magnetische eigenschappen van SMO-bulk en gespannen dunne films te bestuderen.

"Deze extreem nauwe samenwerking tussen de twee groepen, een gericht op de ontwikkeling van methoden en de andere op toepassingen in defecte oxidematerialen, werd aangewakkerd door het verenigen van deze verschillende onderzoeksfocussen onder de MARVEL-paraplu", aldus Ulrich Aschauer van de Universiteit van Bern, een van de twee PI's die bij het werk betrokken zijn.

De resultaten laten zien dat deze zelfconsistente U de structuur van stoichiometrische SrMnO . verbetert ₃ met betrekking tot andere methoden, inclusief een met een empirische U. Voor defecte systemen, U verandert als functie van de afstand van de plaats van het overgangsmetaal tot het defect, zijn oxidatietoestand, zijn coördinatienummer, en de magnetische fase van het materiaal. Rekening houdend met deze afhankelijkheid, beurtelings, beïnvloedt de berekende defectvormingsenergieën en de voorspelde spannings- en/of defect-geïnduceerde magnetische faseovergangen, vooral wanneer bezette gelokaliseerde toestanden verschijnen in de bandgap van het materiaal bij het ontstaan ​​​​van defecten.

"Wij zijn van mening dat deze benadering kan leiden tot nauwkeurigere voorspellingen van de energie van defecten die verband houden met in-gap-toestanden in halfgeleiders of isolatoren, zowel in vergelijking met standaard DFT als mogelijk hybride functionalen tegen een computationele kostprijs die aanzienlijk lager is dan voor de laatste, " zei Ricca. "Dit is te danken aan een goede beschrijving van de structurele en lokale chemische effecten die door de defecten worden veroorzaakt."