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Ferroelectric phase transition: a DFT study of soft phonon modes in KTaO3
Josef Huber
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Cesare Franchini
Mitbetreuer*in
Michele Reticcioli
DOI
10.25365/thesis.72726
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-14270.95946.118748-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Ferroelektrische Materialien sind dadurch definiert, dass ihre internen Dipolmomente durch Anlegen eines elektrischen Feldes polarisiert werden. Ihre Wichtigkeit in der Festkörperphysik hebt sich durch diverse technische Anwendungen, wie Kondensatoren, nichtflüchtigen Speicher oder Lichtdetektoren hervor. Perovskite sind ionische Materialien, die unter Umständen ferroelektrisch sind. Im Falle des Perovskiten KTaO3 wird die Ferroelektrizität jedoch durch Quantenfluktuationen unterdrückt und wird daher als quantenparaelektrisch bezeichnet. Es ist jedoch nicht vollständig geklärt, ob ein ferroelektrischer Phasenübergang unter gewissen Umständen wie etwa äußerem isotropen Druck möglich ist. Die Dichtefunktionaltheorie (DFT) erlaubt es mithilfe von Rechenleistung die Eigenschaften einer Vielzahl von Materialien zu bestimmen, sowie Experimente zu bestätigen und spielt somit eine zentrale Rolle in der Festkörperphysik. Um ferroelektrische Phasenübergänge mithilfe von DFT zu untersuchen, wird die sogenannte soft-mode Theorie angewendet. Hierbei deutet das Verschwinden der Frequenz einer soft-mode auf eine Phaseninstabilität hin. In dieser Arbeit werden strukturelle und elektronische Eigenschaften, sowie Schwingungsmoden von KTaO3 mithilfe verschiedener DFT Methoden untersucht. Die Moden werden durch Veränderung des isotropen Drucks sowie der elektronischen Korrelation berechnet. Letzteres ist mittels Standard DFT schwer erfassbar. Während erster Berechnungen der Schwingungsmoden wurden Moden gefunden, welche auf einen Phasenübergang hindeuten. Aufgrund von diesen Moden wurden durch Variieren des äußeren Drucks im nächsten Schritt Untersuchungen von Phaseninstabilitäten gemacht. Durch Stabilisierung der imaginären Schwingungsmode wurde schlussendlich Kristallstrukturen mit einer niedrigeren Symmetrie als die der Kubischen gefunden. Da die Energiedifferenzen zwischen den ferroelektrischen Strukturen, die aus dieser Methode hervorgehen, und dem paraelektrischen Kristall, gering sind, stützt dieses Ergebnis das quantenparalektrische Modell von KTaO3.
Abstract
(Englisch)
Ferroelectric materials enable the switch of internal dipole moments by applying an external electric field. They attract great attention in solid-state physics and allow for a large variety of technological applications in modern devices such as capacitors, non-volatile memories or light detectors. Perovskite oxides are ionic materials that might undergo ferroelectric phase transitions. More problematic is the KTaO3 perovskite that is mostly referred as a quantum paraelectric, where ferroelectricity is suppressed by quantum fluctuations. It is not entire clear whether the material undergoes a ferroelectric phase transition under certain conditions, such as applied isotropic pressure. With the advent of computers, the study of materials in the framework of density functional theory (DFT) has greatly improved solid-state physics by confirming experiments and predicting physical properties of a great variety of materials. The so called soft-mode theory of phonons provide a convenient method to study ferroelectric phase transitions using DFT. Within this model, an indication of a phase instability is revealed by the vanishing frequency of a phonon mode, which can become also negative. In this work I present a detailed investigation of electronic, structural and vibrational properties of KTaO3 using different approaches within DFT. Phonon modes are calculated, first under change of isotropic pressure and secondly by correcting the electronic correlation which is poorly captured in standard DFT. Under various conditions soft phonon modes are found, indicating a phase transition. This approach led to the identification of soft phonon modes and phase instabilities, under various conditions of applied pressure. Finally, by condensing the unstable phonons, I obtained the structural transition to the corresponding lower symmetry phases. The ferroelectric structures obtained with this methodology show small energy difference with the paraelectric crystal, supporting the quantum paraelectric model for KTaO3.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Ferroelektrizität KTaO3 Quantenparaleketrische Phononen
Schlagwörter
(Englisch)
ferroelectricity KTaO3 quantum paraelectric phonons
Autor*innen
Josef Huber
Haupttitel (Englisch)
Ferroelectric phase transition: a DFT study of soft phonon modes in KTaO3
Paralleltitel (Deutsch)
Ferroelektrischer Phasenübergang: soft Phononen Moden in KTaO3 mittels DFT
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
52 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Cesare Franchini
Klassifikation
33 Physik > 33.61 Festkörperphysik
AC Nummer
AC16694000
Utheses ID
65196
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |