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Defect-induced functional properties in ferroic oxides

Applicant Aschauer Ulrich
Number 178791
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement für Chemie und Biochemie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Inorganic Chemistry
Start/End 01.11.2018 - 31.10.2022
Approved amount 543'373.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Inorganic Chemistry
Material Sciences

Keywords (4)

Oxide; Functional properties; Density functional theory; Defect

Lay Summary (German)

Lead
Ferroische Oxide bieten eine Fülle von funktionellen Eigenschaften, die für elektronische Bauteile der nächsten Generation genutzt werden könnten, um die Grenzen unserer heutigen Siliziumtechnologie zu überwinden. Während Defekte im Kristallgitter lange Zeit als schädlich für diese Eigenschaften angesehen wurden, hat vor kurzem ein Paradigmenwechsel Punktdefekte als mögliche Quelle für neue Funktionalitäten etabliert. Ein gezielter Einsatz von Punktdefekten in technischen Funktionsmaterialien ist jedoch aktuell noch begrenzt durch unser Verständnis 1) der Auswirkung spezifischer Defekte auf die Eigenschaften eines gegebenen Materials, 2) der Langzeitstabilität einer gegebenen Defektpopulation und 3) des Einflusses von Grenzflächen und Domänenwänden auf die Defektchemie und die resultierende Funktionalität.
Lay summary

Ziel dieses Projekts ist es, mittels quantenmechanischer Berechnungen basierend auf der Dichtefunktionaltheorie, ein grundlegendes Verständnis der Defektchemie in ferroischen Dünnfilmmaterialien zu erlangen. In einem ersten Schritt werden wir eine Vielzahl von Defekten in einem kleinen aber systematisch ausgewählten Satz von Übergangsmetallperowskiten untersuchen um den Effekt der Defekte auf die magnetischen und ferroelektrischen Eigenschaften dieser Materialien zu verstehen. Durch die systematische Materialauswahl können wir allgemeine Trends in Abhängigkeit des Defekts und der und Materialzusammensetzung ableiten. Um die Langzeitstabilität des Defektprofils besser zu verstehen, werden wir parallel dazu den Sauerstoffaustausch mit der Umgebung an einer Dünnfilmoberfläche, sowie den Anionen- und Kationenaustausch mit typischen Trägermaterialien untersuchen. Diese Ergebnisse werden Aufschlüsse zum Einfluss von Grenzflächen auf die Defektchemie und die resultierende Funktionalität in diesen komplexen Multi-Material-Systemen geben. Ein letztes Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der elektrostatischen und elastischen Wechselwirkung von Defekten mit Domänenwänden. Unsere Arbeit zielt darauf ab, ein allgemeines Verständnis der Wechselwirkung der häufigsten Defekte mit den verschiedenen Klassen von Domänenwänden zu erlangen und das Entstehen neuer Funktionalitäten zu untersuchen und zu erklären.

Diese grundlegenden Ergebnisse sind dringend benötigt für den gezielten Einsatz von Defekten beim Design neuartiger Funktionselemente in der Oxidelektronik. Die experimentelle Forschung in diesem Bereich in der Schweiz ist international sehr wettbewerbsfähig und die hier geplanten theoretischen Untersuchungen werden dazu beitragen, diese Position zu stärken und in neue Richtungen zu lenken. Eine enge Zusammenarbeit mit der experimentellen Forschung ist eine wichtige Komponente, um die theoretischen Ergebnisse, die in diesem Projekt gewonnen werden, in praktische Anwendungen zu übertragen. Dadurch wird es möglich, das volle Potenzial der Oxidelektronik durch die Verwendung von Defekten im Materialdesign zu nutzen.

Direct link to Lay Summary Last update: 24.09.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Ferroic oxides offer a rich set of functional properties that could be exploited for next generation electronics that overcome limitations of our present silicon technology. While point defects were long seen as detrimental for these properties, a recent paradigm shift has established point defects as a potential source for novel functionality. A targeted use of point defects in engineering functional materials is however still limited by our understanding of 1) the effect of specific defects on the properties of a given host material, 2) the long-term stability of a given defect profile and 3) the effect of structural elements such as interfaces and domainwalls on the defect chemistry and functionality.This project aims to provide this much-needed knowledge by means of density functional theory calculations. We will employ a recently developed infrastructure for automated defect calculations to sample a large variety of defects in a small but systematically chosen set of 3d transition metal perovskites and study the effect of the defects on the magnetic and ferroelectric properties of these materials. The systematic choice of materials will allow us to derive general trends as a function of the defect and material composition. We will also compare the defect functionality predicted in the strained bulk with the one at actual interfaces in thin films and heterostructures to elucidate the effect of interfaces on the functional properties. To assess the long-term stability of a given defect profile, we will investigate the oxygen exchange with the environment across a thin-film surface and anion as well as cation exchange with typical substrates. These results will for the first time explore the effect of interfaces on the location and functionality of defects and establish the defect chemistry in these complex multi-material systems. A final objective of this project is to investigate the electrostatic and elastic interaction of defects and domainwalls. The structural features of ferroic materials were recently shown to have conductive or magnetic properties different from the surrounding domain. Our results aim to provide a general understanding of the interaction of the most common defects with the different classes of domainwalls and to investigate and explain resulting emergence of novel functionality.These fundamental results are much-needed ingredients for the targeted use of defects in designing novel functional elements in oxide electronics. Experimental research in this area in Switzerland is internationally very competitive and the present theoretical investigations will help to strengthen this position and guide it in new directions. A close collaboration with the experimental community is a vital component in translating the theoretical findings obtained in this project into practical applications to exploit the full potential of oxide electronics via the use of non-stoichiometry as a materials-design parameter.
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