基于第一性原理的极性形貌：SrTiO$_3$衬底上的 PbTiO$_3$薄膜与 $p(2 \times \Lambda)$ 表面重构
材料科学
2022-02-16 v1 计算物理
摘要
由铁电（FE）PbTiO（PTO）与量子顺电 SrTiO（STO）构成的低维结构承载诸如极性波、通量闭合畴与极性斯格明子相等复杂极化织构。密度泛函理论（DFT）模拟可揭示此类有序性，但受限于模拟所需数千原子带来的计算量。为缓解此问题，我们在 DFT 中使用新颖的多点支撑函数（MSSF）方法，在保持高精度的同时缩短电子基态的求解时间。利用 MSSF，我们模拟了 STO 衬底上厚度小于 2000 原子的 PTO 薄膜。在超薄极限下，具有圆柱手性气泡的极性波织构作为完全通量闭合畴与面内极化之间的中间相出现。这由沿 [001] 方向因组分破缺反演对称性而产生的内禀偏置场驱动。由于该偏置场的确切性质对薄膜边界条件极为敏感，这提示了一种通过谨慎选择衬底、表面终止或覆层在纳米尺度上操控手性有序的新设计原则。反铁畸变（AFD）序与这些极性织构局域相互作用，在 PbO 终止表面产生强 FE/AFD 耦合，驱动 表面重构。这提供了局域调控铁电性的另一途径。
引用
@article{arxiv.2007.00787,
title = {Polar morphologies from first principles: PbTiO$_3$ films on SrTiO$_3$ substrates and the $p(2 \times \Lambda)$ surface reconstruction},
author = {Jack S. Baker and David R. Bowler},
journal= {arXiv preprint arXiv:2007.00787},
year = {2022}
}
备注
13 pages, 7 figures