mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2021-4-260-266mateltech-478Research ArticleМатематическое моделирование в материаловедении электронных компонентовMATHEMATICAL MODELING IN MATERIALS SCIENCE OF ELECTRONIC COMPONENTSИсследование сегрегации примеси никеля на открытых поверхностях структуры LSNT перовскита методом первопринципной молекулярной динамикиThe study of nickel impurity segregation on LSNT perovskite open surfaces by means of ab initio molecular dynamicsЧистяковаА. А.ChistyakovaA. A.

Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Москва 119991

Чистякова Анна Александровна – студент, Физический факультет

1-2 Leninskie Gory, Moscow, 119991

Anna A. Chistyakova — Student, Faculty of Physics,

anutochkachi@gmail.comБажановД. И.BazhanovD. I.

Ленинские горы, д. 1, стр. 2, Москва 119991;

ул. Вавилова, д. 44, корп. 2, Москва, 119333;

Волоколамское шоссе, д. 4, Москва, 125993

Бажанов Дмитрий Игоревич — кандидат физ.-мат. наук, старший преподаватель кафедры физики твердого тела, Физический факультет

1-2 Leninskie Gory, Moscow, 119991;

44-2 Vavilova Str., Moscow 119333;

4 Volokolamskoe Highway, Moscow 125993

Dmitriy I. Bazhanov — Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Lecturer, Department of Solid State Physics, Faculty of Physics

dima@kintechlab.ruМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова; Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление» Российской академии наук; Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияLomonosov Moscow State University; Federal Research Center “Computer Science and Control” of the Russian Academy of Sciences; Moscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation202131012022244260266Copyright © Чистякова А.А., Бажанов Д.И., 20212021Чистякова А.А., Бажанов Д.И.Chistyakova A.A., Bazhanov D.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/478

В работе методом первопринципной молекулярной динамики в рамках теории функционала плотности исследуется сегрегация примеси Ni в направлении открытых поверхностей легированного перовскита титаната стронция на примере модельной ячейки со стехиометрией La0,5Sr0,5TiO3x. Представленные исследования основываются на недавних экспериментальных наблюдениях по сегрегации примесных атомов Ni и их стремлении образовывать кластеры вблизи границ дефектов структуры перовскита La0,2Sr0,7Ni0,1Ti0,9O3-δ (LSNT). Результаты первопринципных расчетов энергии сегрегации показали, что Ni действительно активно сегрегирует в направлении открытых поверхностей. Было обнаружено, что в процессе сегрегации атомы никеля выходят из кристаллического объема к поверхности перовскита и поднимаются над ее верхнем слое. Таким образом результаты расчетов подтверждают данные экспериментальных наблюдений по сегрегации и формированию кластеров никеля на открытых поверхностях LSNT. 

In this paper, the segregation of the Ni impurity on open surfaces of the doped strontium titanate perovskite is investigated by means of ab initio molecular dynamics method based on the density functional theory and applied to a model periodic cell with stoichiometry La0.5Sr0.5TiO3 (LST).The performed studies are based on recent experimental observations on the segregation of Ni impurity atoms and their tendency to form clusters at the boundaries of defect structure of La0.2Sr0.7Ni0.1Ti0.9O3-δ (LSNT) perovskite. The results of the first-principles calculations of segregation energy showed that Ni does actively segregate toward the open surfaces. It was found that during segregation, nickel atoms leave the crystal volume to the perovskite surface and rise above its upper layer. Thus, the obtained results confirm the experimental data on the segregation and formation of nickel clusters on open LSNT surfaces.

перовскитсегрегациякластеркатионLST и LSNT материалыподрешёткатеория функционала плотностиperovskitesegregationclustercationLST and LSNT materialssublatticedensity functional theoryАвторы статьи благодарят за финансовую поддержку Российский фонд фундаментальных исследований (грант № 19-29-03051мк). Первопринципные расчеты проводились с использованием возможностей центра коллективного пользования вычислительными ресурсами МСЦ РАН.The authors are grateful for financial support from the Russian Foundation for Basic Research (grant No. 19-29-03051mk). Ab initio calculations were carried out using the capabilities of the center for the collective use of computing resources of the Interdepartmental Supercomputer Center of the Russian Academy of Sciences.ReferencesSu D., Xu Q.Y., Zhu J.S., Wang Y.N. Comment on “Model of phase transition induced antiphase boundaries in perovskite and layered perovskite oxides” [Journal of Applied Physics. 2002; 92: 5425]. Journal of Applied Physics. 2004; 95(2): 770—771. https://doi.org/10.1063/1.1633659Su D., Xu Q.Y., Zhu J.S., Wang Y.N. Comment on “Model of phase transition induced antiphase boundaries in perovskite and layered perovskite oxides” [Journal of Applied Physics. 2002; 92: 5425]. Journal of Applied Physics. 2004; 95(2): 770—771. https://doi.org/10.1063/1.1633659Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations. Physical Review B. 1976; 13(12): 5188—5192. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.13.5188Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations. Physical Review B. 1976; 13(12): 5188—5192. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.13.5188Han H., Park J., Nam S.Y., Kim K.J., Choi G.M., Parkin S.S.P., Jang H.M., Irvine J.T.S. Lattice strain-enhanced exsolution of nanoparticles in thin films. Nature Communication. 2019; 10(1): 1471. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09395-4Han H., Park J., Nam S.Y., Kim K.J., Choi G.M., Parkin S.S.P., Jang H.M., Irvine J.T.S. Lattice strain-enhanced exsolution of nanoparticles in thin films. Nature Communication. 2019; 10(1): 1471. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09395-4Wang L.Q., Schaffer B., MacLaren I., Miao S., Craven A.J., Reaney I.M. Atomic scale structure and chemistry of anti-phase boundaries in (Bi0.85Nd0.15)(Fe0.9Ti0.1)O3 ceramics. Journal of Physics: Conference Series. 2012; 371: 012036. https://doi.org/10.1088/1742-6596/371/1/012036Wang L.Q., Schaffer B., MacLaren I., Miao S., Craven A.J., Reaney I.M. Atomic scale structure and chemistry of anti-phase boundaries in (Bi0.85Nd0.15)(Fe0.9Ti0.1)O3 ceramics. Journal of Physics: Conference Series. 2012; 371: 012036. https://doi.org/10.1088/1742-6596/371/1/012036Kim K.J., Han H., Defferriere T., Yoon D., Na S., Kim S.J., Dayaghi A.M., Son J., Oh T.-S., Jang H.M., Choi G.M. Facet-dependent in situ growth of nanoparticles in epitaxial thin films: the role of interfacial energy. Journal of the American Chemical Society. 2019; 141(18): 7509–7517. https://doi.org/10.1021/jacs.9b02283Kim K.J., Han H., Defferriere T., Yoon D., Na S., Kim S.J., Dayaghi A.M., Son J., Oh T.-S., Jang H.M., Choi G.M. Facet-dependent in situ growth of nanoparticles in epitaxial thin films: the role of interfacial energy. Journal of the American Chemical Society. 2019; 141(18): 7509—7517. https://doi.org/10.1021/jacs.9b02283Du H., Jia C.-L, Koehl A., Barthel J., Dittmann R., Waser R., Mayer J. Nanosized conducting filaments formed by atomic-scale defects in redox-based resistive switching memories. Chemistry of Materials. 2017; 29(7): 3164—3173. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b00220Du H., Jia C.-L, Koehl A., Barthel J., Dittmann R., Waser R., Mayer J. Nanosized conducting filaments formed by atomic-scale defects in redox-based resistive switching memories. Chemistry of Materials. 2017; 29(7): 3164—3173. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b00220VASP full version. 04.12.2018. https://sourceforge.net/projects/vasp-full-version/VASP full version. 04.12.2018. https://sourceforge.net/projects/vasp-full-version/Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular dynamics for open-shell transition metals. Physical Review. B: Condensed Matter.1993; 48(17): 13115—13118. https://doi.org/10.1103/physrevb.48.13115Kresse G., Hafner J. Ab initio molecular dynamics for open-shell transition metals. Physical Review. B: Condensed Matter.1993; 48(17): 13115—13118. https://doi.org/10.1103/physrevb.48.13115Kresse G. Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Physical Review. B: Condensed Matter. 1996; 54(16): 11169—11186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169Kresse G. Furthmüller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set. Physical Review. B: Condensed Matter. 1996; 54(16): 11169—11186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169Zhou X., Yan N., Chuang K., Luo J. Progress in La-doped SrTiO3 (LST)-based anode materials for solid oxide fuel cells. RSC Advances. 2014; 4: 118—131. https://doi.org/10.1039/C3RA42666AZhou X., Yan N., Chuang K., Luo J. Progress in La-doped SrTiO3 (LST)-based anode materials for solid oxide fuel cells. RSC Advances. 2014; 4: 118—131. https://doi.org/10.1039/C3RA42666AМарч Н., Кон В., Вашишта П., Лундквист С., Уильяме А., Барт У., Лэнг Н. Теория неоднородного электронного газа / пер. с англ. М.: Мир; 1987. 400 с.March N., Cohn V., Vashishta P., Lundqvist S., Williams A., Bart W., Lang N. Theory of the inhomoheneous electron gas. NY, USA; Great Britain, London: Plenum Press; 1983. 400 p. (Russ. Transl.: March N., Cohn V., Vashishta P., Lundqvist S., Williams A., Bart W., Lang N. Teoriya neodnorodnogo ehlektronnogo gaza. Moscow: Mir; 1987. 400 р.)Kohn W. Nobel lecture: electronic structure of matter – wave functions and density functionals. Reviews of Modern Physics. 1999; 71: 1253—1266. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.71.1253Kohn W. Nobel lecture: electronic structure of matter – wave functions and density functionals. Reviews of Modern Physics. 1999; 71: 1253—1266. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.71.1253Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Physical Review Letters. 1996; 77: 3865—3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Physical Review Letters. 1996; 77: 3865—3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865Blöchl P.E. Projector augmented-wave method. Physical Review. B. Condensed Matter. 1994; 50(24): 17953–17979. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.50.17953Blöchl P.E. Projector augmented-wave method. Physical Review. B. Condensed Matter. 1994; 50(24): 17953—17979. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.50.17953Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations. Physical Review B. 1976; 13(12): 5188—5192. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.13.5188Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations. Physical Review B. 1976; 13(12): 5188–5192. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.13.5188Blöchl P.E., Jepsen O., Andersen O.K. Improved tetrahedron method for Brillouin-zone integrations. Physical Review. B. Condensed Matter. 1994; 49(23): 16223—16233. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.49.16223Blöchl P.E., Jepsen O., Andersen O.K. Improved tetrahedron method for Brillouin-zone integrations. Physical Review. B. Condensed Matter. 1994; 49(23): 16223–16233. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.49.16223Kwon O., Sengodan S., Kim K., Kim G., Jeong H.Y., Shin J., Ju Y.-W, Han J.W., Kim G. Exsolution trends and co-segregation aspects of self-grown catalyst nanoparticles in perovskites. Nature Communications. 2017; 8: 15967. https://doi.org/10.1038/ncomms15967Kwon O., Sengodan S., Kim K., Kim G., Jeong H.Y., Shin J.,. Ju Y.-W, Han J.W., Kim G. Exsolution trends and co-segregation aspects of self-grown catalyst nanoparticles in perovskites. Nature Communications. 2017; 8: 15967. https://doi.org/10.1038/ncomms15967Ding Y., Liang D.D. A model of phase transition induced antiphase boundaries in perovskite and layered. Journal of Applied Physics. 2002; 92: 5425—5428. https://doi.org/10.1063/1.1510563Ding Y., Liang D.D. A model of phase transition induced antiphase boundaries in perovskite and layered. Journal of Applied Physics. 2002; 92: 5425—5428. https://doi.org/10.1063/1.1510563

The authors declare that there are no conflicts of interest present.