研究人员通过第一原理计算改进了有缺陷氧化物的描述

理解缺陷如何影响基态性质，促进相变或在一些强相关氧化物中实现全新的功能已经成为设计和发现新型功能材料领域的主要关注的主题。SrMnO 3(SMO)是一个特别有趣的例子，但需要更好的表征。MARVEL研究人员现已开发出一种方法，可以更准确地预测与半导体或绝缘体中的间隙状态相关的缺陷的能量。

例如，一些钙钛矿氧化物已经显示出广泛的技术相关的功能特性，例如可以通过应变调节的铁电性和磁性。然而，应变也与缺陷化学相结合以确定材料的性质。

SrMnO 3(SMO)是一个特别有趣的例子，用于检查由应变，磁性顺序，极性失真和氧空位的复杂相互作用产生的功能，这些是这些材料中普遍存在的缺陷。特别是，理论已经预测SMO薄膜会随着氧缺乏的增加而从反铁磁薄膜转变为铁磁薄膜，这是最近的实验研究所支持的。

然而，这些先前的预测基于密度泛函理论(DFT)计算，其结合了基于化学计量的锰氧化物的电子和磁性的校正U. 虽然包含U-意味着纠正复杂氧化物中电子的自相互作用 - 在这些材料中是必要的，但基于化学计量材料特性的U的特定选择可能导致在描述有缺陷的SMO-锰离子周围的潜在缺点。缺陷有不同的协调环境。

取决于缺陷电荷状态，增加的问题涉及有缺陷的SMO中存在的多种氧化态的描述。氧空位的形成通常通过减少与空位相邻的锰离子的氧化态(OS)来进行电荷补偿，因此可能不能通过相同的U适当地描述。

这就是伯尔尼大学博士后Chiara Ricca及其同事认为，为了准确描述有缺陷的SMO，必须考虑到氧化物中每个过渡金属部位的局部结构和化学影响。与Nicola Marzari的THEOS实验室合作，该实验室最近开发了一种基于密度泛函微扰理论(DFPT)的U参数计算方法，他们使用从第一原理计算的自洽的位置依赖U值来研究缺陷化学和SMO块体和应变薄膜的磁性能。

“这两个小组之间的密切合作，一个专注于方法开发，另一个专注于有缺陷的氧化物材料的应用，是通过将这些不同的研究焦点统一在MARVEL保护伞下引发的”，伯尔尼大学的Ulrich Aschauer说，两者之一参与工作的PI。

结果表明，这种自洽U改善了化学计量SrMnO 3相对于其他方法的结构，包括使用经验U的方法。对于有缺陷的系统，U随过渡金属位点距缺陷的距离而变化。，其氧化态，配位数和材料的磁相。考虑到这种依赖性反过来影响计算的缺陷形成能量和预测的应变和/或缺陷引起的磁相变，特别是当在缺陷产生时占据的局部状态出现在材料的带隙中时。

“我们相信这种方法可以更准确地预测半导体或绝缘体中与间隙状态相关的缺陷的能量，与标准DFT和可能的混合功能相比，计算成本明显低于后者，”Ricca说过。“这要归功于对缺陷引起的结构和局部化学效应的正确描述。”

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