Detailansicht
Computational modeling of polarons and weak polarity on the SrTiO3(001) surface
Florian Ellinger
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Cesare Franchini
DOI
10.25365/thesis.76708
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-24874.00503.235868-0
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Perowskite stellen aufgrund ihrer konfigurationellen Flexibilität vielversprechende Kandidaten für verschiedene technologische Anwendungen dar. Strontium Titanat ist ein prominentes Beispiel für einen kubischen Übergangsmetalloxid-Perowskit, welcher bereits in einer Vielzahl von experimentellen und theoretischen Studien untersucht wurde. Für viele potentielle Verwendungen sind die Oberflächeneigenschaften von Strontium Titanat von besonderem Interesse. Nach jüngsten experimentellen Fortschritten bei der Herstellung einer wohldefinierten (1×1) Termination von SrTiO3(001) zielt diese Studie darauf ab, die elektronischen Eigenschaften dieser Oberfläche durch Modellierung mittels Dichtefunktionaltheorie zu analysieren. Hier präsentierte Ergebnisse zeigen eine schwache, polare Stapelung alternierender TiO2- und SrO-Ebenen entlang der [001]-Richtung in Strontium Titanat. Aufgrund dieser schwachen Polarität ist die Oberfläche energetisch ungünstig. Die Rolle von Strontium-Defekten, die auf den beiden Terminierungen beobachtet wurden, ist in der vorhandenen Literatur nicht vollständig verstanden und ihnen wurde ein oberflächenstabilisierender Effekt zugeschrieben. Eine hier durchgeführte Analyse findet hierfür qualitative und quantitative Belege: Die Sr-Defekte korrigieren überschüssige Ladungen auf den beiden Terminierungen. Dadurch wird das entstehende Dipolmoment und die elektrostatische Instabilität kompensiert. Die Defektkonzentration wurde auf 12, 5%Sr-Adatome und 12, 0%Sr-Leerstellen auf den TiO2- und SrO-Terminierungen bestimmt, was gut mit experimentellen Beobachtungen übereinstimmt. Polaronen sind Quasi-Teilchen, die entstehen, wenn Ladungsträger mit dem Phononen-Feld des Kristalls koppeln. Sie können sich vor allem in polarisierbaren Oxiden wie Strontium Titanat bilden und beeinflussen die elektronischen Eigenschaften des Materials. Wir finden, dass überschüssige Elektronen, induziert durch Nb-Dotierung und Sr-Adatome, stabile, kleine Elektron-Polaronen auf der SrTiO3(001)-Oberfläche bilden. Ihre Stabilität hängt von der Nb-Dotierung ab, wobei sie unterhalb einer Dotierung von etwa 1% Nb instabil werden. Kleine Loch-Polaronen, durch Sr-Leerstellen induziert, sind stark an diese Defekte gebunden, weshalb die Lokalisierung auf den O-Atomen um die Sr-Leerstellen bevorzugt ist. Die Besetzung ist hierbei nicht durch die intrinsische Anzahl von zwei Löchern pro Leerstelle begrenzt. Ein Elektron-Loch-Paar wurde durch die gleichzeitige Lokalisierung von Elektron- und Loch-Polaronen innerhalb derselben Thinfilm-Superzelle realisiert. Der Zustand wurde alsmeta-stabil gefunden, wobei die positive Bildungsenergie einen Trend zur weiteren Stabilisierung bei zunehmender Separation zeigt.
Abstract
(Englisch)
Perovskites hold great promise as candidates for various technological applications, given their inherent configurational flexibility. Strontium titanate is a prominent example of a cubic transition metal oxide perovskite and has already been subject to a plethora of experimental and theoretical studies. For its potential use as catalyst, or as substrate for compound materials, the surface properties of strontium titanate are of particular interest. Following recent experimental advancements in the preparation of a well-defined, cleaved (1 × 1) termination of SrTiO3(001), this study aims to analyze the electronic surface properties of such a termination through means of density functional theory calculations. Findings presented here suggest a weakly polar stacking of alternating TiO2 and SrO planes along the [001] crystallographic direction of strontium titanate. As a consequence of this weak polarity, the surface termination is energetically unfavorable. In existing literature, the role of strontium defects in form of adatoms and vacancies observed on the two terminations was not understood entirely, where a surface stabilizing effect was attributed to them as their most likely origin. A qualitative study, followed by a quantitative analysis, done here finds evidence for such a stabilizing effect: The Sr surface defects correct excess surface charges present on the two terminations, compensating the arising dipole and electrostatic instability. The defect coverage was determined to be 12.5% Sr adatoms and 12.0% Sr vacancies, on the TiO2 and SrO terminations, respectively, values which are in very good agreement with experimental findings. Polarons, quasi-particles formed when charge carriers couple to the crystal phonon field, can form in polarizable oxides, such as strontium titanate. Localized polarons significantly impact material, making understanding their properties crucial for applications. Excess electrons, introduced by Nb doping and Sr adatoms, can form stable, small electron polarons on the SrTiO3(001) surface. Results suggest that their stability depends on the Nb doping, where they become unstable below about 1% concentration. Hole polarons, introduced by Sr vacancies, are found to be very strongly bound to the defects, with localization being highly favored on O atoms around Sr vacancies. Further, these vacancies can be overpopulated by holes, where polaron coverage is not limited by the intrinsic number of two holes per vacancy. A self-trapped, unconstrained electron-hole pair was realized by simultaneous localization of electron and hole polarons within the same thinfilm supercell. The state was found as metastable solution, where the positive formation energy shows a trend towards further stabilization for increasing separation.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Perowskite Polarität Oberflächenphysik Kristalloberflächen DFT Dichtefunktionaltheorie Polaron Strontium Titanat Defekte
Schlagwörter
(Englisch)
perovskites polarity surface science crystal surface DFT density functional theory polarons strontium titanate defects
Autor*innen
Florian Ellinger 
Haupttitel (Englisch)
Computational modeling of polarons and weak polarity on the SrTiO3(001) surface
Paralleltitel (Deutsch)
Computergestützte Modellierung von Polaronen und schwacher Polarität auf der SrTiO3(001)-Oberfläche
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
150 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Maria Veronica Ganduglia-Pirovano ,
Chiara Gattinoni
Klassifikationen
33 Physik > 33.61 Festkörperphysik ,
33 Physik > 33.68 Oberflächen. Dünne Schichten. Grenzflächen
AC Nummer
AC17332129
Utheses ID
71862
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |