Исследование сегрегации примеси никеля на открытых поверхностях структуры LSNT перовскита методом первопринципной молекулярной динамики

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 La_0,5Sr_0,5TiO_3x. Представленные исследования основываются на недавних экспериментальных наблюдениях по сегрегации примесных атомов Ni и их стремлении образовывать кластеры вблизи границ дефектов структуры перовскита La_0,2Sr_0,7Ni_0,1Ti_0,9O_3-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. 

1. Su 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/10.1063/1.1633659

2. Monkhorst 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.13.5188

3. Han 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/s41467-019-09395-4

4. Wang 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/10.1088/1742-6596/371/1/012036

5. Kim 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.9b02283

6. Du 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.7b00220

7. VASP full version. 04.12.2018. https://sourceforge.net/projects/vasp-full-version/

8. 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.48.13115

9. Kresse 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.54.11169

10. Zhou 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/C3RA42666A

11. Марч 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.

12. 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.71.1253

13. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Physical Review Letters. 1996; 77: 3865—3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865

14. Blöchl P.E. Projector augmented-wave method. Physical Review. B. Condensed Matter. 1994; 50(24): 17953–17979. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.50.17953

15. Monkhorst 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.13.5188

16. Blöchl 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.49.16223

17. Kwon 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/ncomms15967

18. Ding 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