Fe、Co 取代 SrTiO$_{3-\delta}$ 中氧缺陷与迁移介导的电极化

我们使用密度泛函理论 (DFT) 计算表明，氧空位 ($v_\mathrm{O}$) 及其迁移在 SrTi$_{1-x-y}$Fe$_{x}$Co$_{y}$O$_{3-\delta}$ ($x=y=0.125$) 中诱导出非中心对称极性结构，其中 $\delta = \{0.125, 0.25\}$，增强了饱和磁化强度并引起电极化 $\vert\Delta P\vert$ 的大幅变化。我们基于 (Co/Fe)-$v_\mathrm{O}$ 缺陷、磁性阳离子配位与拓扑空位无序之间的相互作用，提出了 SrTiFeCoO$_{3-\delta}$ (STFC) 的一组直观规则。STFC 结构呈现层状晶体，具有线性排列的 O$_{4,5,6}$-配位 Fe-Co 对片层，与 O$_{5}$-配位 Ti 的层交替夹心排列。Co,Fe-$v_\mathrm{O}$ 缺陷是晶体畸变、阳离子离心和氧八面体弯曲的根源，加之由 $v_\mathrm{O}$ 介导的电荷重分布、阳离子电负性与价态，触发了有效电极化。对于 $\delta=0.125$，由于 $\delta=0.125$ 结构之间极化量子差，氧迁移为我们提供了 $\vert\Delta \mathbf{P}\vert$ $>\sim10 \mu$C/cm$^2$。将缺陷度增至 $\delta=0.25$ 得到的 $\vert\Delta \mathbf{P}\vert$，其按 O-迁移分辨的 $\delta=0.25$ 极化在最坏情况下 $>\sim3 \mu$C/cm$^2$。磁性在 $\delta=0.125$ 时由 Fe、Co 自旋态主导，而在 $\delta=0.25$ 时出现了 Ti 磁矩的骤增 ($\sim1\mu_{B}$)。对于给定缺陷度，磁性与电极化序参量随 $\delta$ 变化或氧迁移而改变。我们的结果捕捉到了系列端元 SrTi(Co,Fe)O$_{3}$ 中观察到的特征，并暗示存在一组更广泛的氧缺陷多铁氧化物的规则。