Defect and strain engineering for modulating structure and magnetism in perovskites

Resum

Les perovskites ABO3 són conegudes per la seva diversitat de propietats, incloent-hi la ferroelectricitat, el magnetisme i la multiferroïcitat, totes elles susceptibles a les distorsions de la xarxa cristal·lina. És possible modificar aquestes distorsions i, de retruc, alterar les propietats d'aquests materials emprant tècniques com el dopatge, la deformació i l'aplicació de camps elèctrics. En aquesta tesi, el nostre objectiu és trobar maneres d'ajustar una de les distorsions més rellevants (rotació octaèdrica) i les propietats magnètiques, incloent-hi l'ordre antiferromagnètic i l'inclinament de l'espín (spin canting). Això dóna lloc a quatre projectes, que es descriuen a continuació. Controlar les rotacions i les inclinacions en les perovskites és valuós per dissenyar i millorar funcionalitats, però és molt dificultós fer-ho amb camps elèctrics per la manca de trencament de simetria d'inversió espacial. Proposem una estratègia que explota defectes puntuals que creen dipols elèctrics locals i s'acoblen a la subxarxa d'oxigen, permetent una actuació directa sobre els graus de llibertat rotacionals. Per a validar aquesta idea, hem considerat un defecte comú, Al substituint a La. Els nostres càlculs DFT, recolzats per un model de xarxa efectiva, mostren que la reversió de la rotació octaèdrica amb el canvi del dipol és factible i proporciona algunes pautes per avaluar altres materials en els quals la rotació octaèdrica pot ajustar-se d'aquesta manera. La recerca duta fins ara ha identificat el potencial per modificar l'antiferromagnetisme i spin canting ajustant la rotació octaèdrica, però la connexió entre les distorsions de la xarxa i l'inclinament de l'espín requereix un aprofundiment de la seva comprensió. En aquesta tesi, desenvolupem un formalisme elegant que aclareix aquestes connexions. La validesa del formalisme s'ha confirmat mitjançant resultats DFT de les perovskites LaFeO3 i CaMnO3, així com dades de la literatura. Aquestes regles poden aplicar-se a una àmplia gamma de materials amb diversos ordres d'espín i distorsions de la xarxa, la qual cosa ens permet anticipar el patró d'inclinació de l'espín i dissenyar nous materials. La rotació d'octaedres d'oxigen en materials perovskites es pot utilitzar per modificar les interaccions d'intercanvi i la interacció Dzyaloshinsky-Moriya (DMI). Això proporciona una manera de controlar les propietats magnètiques d'aquests materials. Utilitzem mètodes DFT per explorar com els defectes poden utilitzar-se per ajustar les distorsions de la xarxa, les interaccions Dzyaloshinsky-Moriya i controlar l'spin canting en materials AFM. Prenem LaFeO$_3$ amb el defecte Al substituint a La com a prototip. Descobrim que les distorsions de la xarxa, incloses les rotacions octaèdriques i els desplaçaments atòmics en el lloc A, es poden canviar mitjançant l'estat de polarització del defecte, ajustant així l'inclinament de l'espín. Els nostres resultats ofereixen un nou enfocament per dissenyar materials magnetoelèctrics mitjançant l'enginyeria de defectes. Investigacions prèvies han demostrat que la deformació es pot utilitzar per modificar l'ordre AFM de CaMnO3, permetent l'ajust de l'inclinament de l'espín. En aquest estudi, investiguem l'efecte de la deformació epitaxial en l'ordre AFM i l'inclinament de l'espín de CaMnO3. Observem que la deformació epitaxial pot portar a una transició de AFM tipus G a AFM tipus A/C, depenent de l'orientació de la deformació epitaxial, i, en conseqüència, modificar el patró d'inclinació de l'espín.

Data del Ajut	14 de nov. 2023
Idioma original	Anglès
Supervisor	Jose Miguel Alonso Pruneda (Director/a) & Gervasi Herranz Casabona (Director/a)