- Proprietatile de transport ale SrTiO3 1-x x 3 si SrTi1-x ... · 3 in stare solida si aliajele acestuia (SrTi 1-xNb xO 3 si SrTi 1-xV xO 3) ... mare in transport si care sunt dispersive

Raport  stiintific    

Obiective, perioada ianuarie-decembrie 2012: - Proprietatile de transport ale SrTiO3 in stare solida si aliajele acestuia (SrTi1-xNbxO3 si SrTi1-xVxO3) - Ingineria structurii de banda electronica in aliajele de  SrTiO3 (SrTi1-xNbxO3 si SrTi1-xVxO3)  

Proprietatile de transport ale solizilor de SrTiO3 au fost deja studiate in peioada oct-ian 2011. Estimarile teoretice ale proprietatilor termoelectrice in diferite functionale de calcul arata ca factorul de putere PF= S2σ este subestimat, unde σ este conductivitatea electrica si S este coeficientul Seebeck (thermopower) (Fig. 1).

Figura 1. Factorul de putere PF in functie de potentialul chimic estimat in diferite functionale folosind timpul de relaxare τ=0.43x10-14 s la temperatura 300K pentru SrTiO3. Pozitia diferita a maximului in PF se datoreaza diferentelor in Eg.

Acesta sugereaza ca aproximatia structurii de banda electronica rigida nu este indeplinita (starile electronice ale oxizilor dopati de SrTiO3 sunt considerate aceleasi ca si cele ale oxizilor nedopati de SrTiO3. La concentratii mari n ~ 1021 cm-3, elementele dopante (ex. La, Nb, V) trebuie explicit incluse in calculele electronice prin alegerea de supercelule de ordinul 3x3x3 a structurii cubice perovskite de SrTiO3 si care contin aceste elemente dopante. Pentru verificarea acestei aproximatii, am considerat supercelule de ordinul 3x3x3 (avand 135 de atomi/celula) cu concentratii electronice n ~ 1.2x1021 cm-3, continand explicit elementele dopante.

Figura 2. Densitatea de stari electronice (DOS) in cazul doparii cu Nb si La a solidului de SrTiO3 (Nb:SrTiO3, La: SrTiO3) la concentratii electronice n ~1.2x1021 cm-3. Nivelul Fermi EF este reprezentat cu linie discontinua in rosu.

In cazul doparii de tip-n cu Nb si La (Nb:SrTiO3, La:SrTiO3), sistemele in starea fundamental raman nemagnetice. Nb si La introduc cate un electron in system, dar asa cum se vede din analiza proprietatilor electronice (densitatea de stari electronice DOS) starile electronice din jurul nivelului Fermi (potentialului chimic) sunt modificate cu respect la cele ale solidului de SrTiO3 (Fig. 2). Intradevar, la aceste concentratii mari aproximatia structurii de banda electronica rigida nu este indeplinita. Proprietatile TE ale aliajelor de SrTiO3 vor fi studiate in perioada decembrie 2012 - februarie 2013.

Obiective: Ingineria structurii de banda electronica in nanostructurile formate de seriile perovskite (SrTiO3)m-KNbO3 si (SrTiO3)m-LaVO3

Am considerat superlaticele SL: (SrTiO3)m(KNbO3)1 si (SrTiO3)m(LaVO3)1 cu m=1,5 pentru care am studiat proprietatile structurale, electronice si termoelectrice (TE). Am studiat efectul de localizare quantica asupra proprietatilor TE (factorul de putere PF).

SL formate de (SrTiO3)m(KNbO3)1 cu m=1,5 sunt in starea fundamentala nemagnetice. Structura acestora (m=1) si structura de banda electronica este prezentata in Figura 3.

Figura 3. Structura SL de (SrTiO3)1(KNbO3)1 si structura de banda electronica a acestor SL.

In comparatie cu structura de banda electronica a solidului de SrTiO3 , SL de (SrTiO3)1(KNbO3)1 prezinta o banda electronica interzisa Eg mai ingusta, cu o banda electronica care este foarte plata dar cu pondere scazuta in transport (distanta mica in directia Brillowin GZ) si in acelasi timp foarte dispersiva in directia ZA. Acesta banda electronica formeaza banda de conductie cea mai joasa care participa in transportul electronic si are un caracter orbital d al atomilor de Nb. Ponderea scazuta in transport se poate vedea mai bine din DOS, astfel incat starile electronice din banda electronica interzisa a SrTiO3 au o pondere scazuta si care genereaza un factor de putere PF in drectia transversa a SL (xx) mai mic decat in cazul solidului de SrTiO3 (Fig. 4). In directia longitudinala a SL (zz) sunt prezenti PF mai mari dar la concentratii electronice foarte mari care in practica nu pot fi realizate.

Crescand localizarea quantica, in cazul SL de (SrTiO3)5(KNbO3)1, ponderea starilor care au o dispersie foarte plata in directia GZ scade cu localizarea quantica. Aceasta poate fi vazuta din structura de banda electronica si DOS, avand ca rezultat o scadere in PF relativ la SL de (SrTiO3)1(KNbO3)1 (Fig. 5-6).

Figura 4. DOS si factorul de putere PF=S2σ pentru SL de (SrTiO3)1(KNbO3)1.

Figura 5. Structura SL de (SrTiO3)5(KNbO3)1 si structura de banda electronica a acestor SL.

Figura 6. DOS si factorul de putere PF=S2σ pentru SL de (SrTiO3)5(KNbO3)1.

SL formate de (SrTiO3)m(LaVO3)1 cu m=1,5 sunt in starea fundamentala antiferomagnetice (AFM). Structura acestora (m=1) si structura de banda electronica este prezentata in Fig. 7.

Figura 7. Structura SL de (SrTiO3)1(LaVO3)1 si structura de banda electronica a acestor SL.

Aceste SL prezinta doua benzi electronice foarte plate si degenerate in directia AZ care au o pondere foarte mare in transport si care sunt dispersive in celelalte directii. Aceste benzi au o distributie foarte ingusta in energie si formeaza varful benzi de valenta avand un caracter orbital d al atomilor de V. Ponderea foarte mare a acestei distributii inguste in energie poate fi vazuta mai exact din DOS, si acesta pondere foarte mare genereaza factori de putere PF impresionanti PFxx~35 mW/mK2 si PFzz~70 mW/mK2 pentru fiecare canal de spin (Fig. 8).

Figura 8. DOS si factorul de putere PF=S2σ pentru SL de (SrTiO3)1(LaVO3)1.

Crescand localizarea quantica, SL de (SrTiO3)5(LaVO3)1, ponderea distributiei inguste scade dar si in acest caz se obtin factori de putere foarte mari (Fig. 9)

Figura 9. DOS si factorul de putere PF=S2σ pentru SL de (SrTiO3)5(LaVO3)1.

Concluzii Principale

- Este nevoie de idei noi de ghidare care sa maximizeze factorul de putere PF. - Gasirea de material TE noi, care poseda intrinsic o distributie ingusta in energie cu pondere semnificativa in transport generate de o banda electronica care este in acelasi timp foarte plata si dispersiva in anumite directii din zona Brillowin. - Ingineria structurii de banda electronica in SL de (SrTiO3)m(LaVO3)1 este capabila sa produca o astfel de distributie ingusta in energie cu pondere semnificativa, care genereaza factori de putere impresionanti PF ~ 140 mW/mK2 (de ~30 mai mari decat termoelectricii clasici – Bi2Te3)

Articole publicate in 2012 legate de proiectul de tinere echipe PN-II-RU-TE-2011-3-0085

1.“First-principles modeling of the thermoelectric properties of SrTiO3/SrRuO3 superlattices”; P. Garcia-Fernandez, M. Verissimo-Alves, D. I. Bilc, P. Ghosez, and J. Junquera PHYSICAL REVIEW B 86, 085305 (2012). Articol legat de modelarea first-principles a oxizilor bazati pe SrTiO3 pentru aplicatii termoelectrice. 2.“Highly Confined Spin-Polarized Two-Dimensional Electron Gas in SrTiO3/SrRuO3 Superlattices”; M. Verissimo-Alves, P. Garcia-Fernandez, D. I. Bilc, P. Ghosez, and J. Junquera PHYSICAL REVIEW LETTERS 108, 107003 (2012). Articol legat de modelarea first-principles a superlaticelor SrTiO3/SrRuO3 folosind metoda B1-WC. 3.“Electroresistance Effect in Ferroelectric Tunnel Junctions with Symmetric Electrodes”; D. I. Bilc, F. D. Novaes, J. Íñiguez, P. Ordejón, and P. Ghosez ACS NANO 6, 1473 (2012). Articol legat de modelarea proprietatilor de transport electronic. 4.“Hydrogen-Saturated Silicon Nanowires Heavily Doped with Interstitial and Substitutional Transition Metals”; E. Drugun, D. I. Bilc, S. Ciraci, and P. Ghosez JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY 116, 15713 (2012). Articol legat de folosirea (testarea) metodei de calcul B1-WC la nanostructuri 1D.

Director proiect,

Daniel Ioan Bilc