ASnO$_{3}$/A$'$SnO$_{3}$ (A, A$'$ = Ba, Sr, Ca) 초격자 구조에서의 강유전상에 관한 제일원리 계산 = Ferroelectric Phases in ASnO$_{3}$/A$'$SnO$_{3}$ (A, A$'$ = Ba, Sr, Ca) Superlattices by Using First-Principles Calculations

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

We have studied the physical properties of ASnO$_{3}$/A$'$ SnO$_{3}$ cation-ordered superlattices by using first-principles calculations. Artificially-stacked superlattices with a perovskite unit, such as ASnO$_{3}$/A$'$SnO$_{3}$, may be hybrid improper ferroelectrics. The tilting of the octahedron is the primary order parameter in hybrid improper ferroelectrics whereas the polarization is a secondary order parameter. We use first-principles calculations to optimize the structure of superlattices of ASnO$_{3}$/A$'$SnO$_{3}$ with A or A$'$ = Ba, Sr, and Ca and with various cation-ordering patterns such as the [001], [110], and [111] directions. We observe a spontaneous phase transition from a tetragonal nonpolar phase (high-symmetry phase) to an orthorhombic polar phase (low-symmetry phase) and perform a group theoretical mode analysis to elucidate the phase transition. We also present a detailed spontaneous polarization analysis for the [001] and the [111] directions in the low-symmetry structure.

국문 초록 (Abstract)

우리는 본 논문에서 ASnO$_3$/A$'$SnO$_3$ 초격자 구조에 대해 제일원리 전자구조 계산 결과를 논의하고자 한다. ASnO$_3$/A$'$SnO$_3$ 구조와 같이 두 층을 원자 레벨로 인위적으로 쌓아 올린 페로브스카이트 구조는 복합 부적절 강유전성 (hybrid improper ferroelectrics, HIF) 특징이 나타날 수 있다. 본 물질은 산소 팔면체의 회전을 일차 질서 변수로 가지며 분극이 이차 질서 변수인 전형적인 복합 부적절 강유전성의 특징을 가진다. 박막의 시료제작에서 방향성을 고려했을 때 이 초격자 구조는 [001] 이외에도 [110], [111]의 가능성이 있으며, 세 가지 방향성을 고려하고 ASnO$_3$/A$'$SnO$_3$ 구조의 A-와 A$'$-site에 Ba, Sr, 그리고 Ca 원자를 치환하여 구조를 얻었다. 본 물질은 무극성 상을 나타내는 공간군(high-symmetry)에서 극성 상을 나타내는 공간군 (low-symmetry)로 상 전이가 발생하며 우리는 이때 작용하는 모드를 그룹 이론을 통해서 분석해 보았다. 또한 [001]과 [111] 방향의 구조에 대해 자발 분극의 크기에 관한 연구도 수행하였다.

참고문헌 (Reference)

1 V. Gopalan, 10 : 376-, 2011

2 D. J. Singh, 44 : 9519-, 1991

3 G. King, 20 : 5785-, 2010

4 R. Resta, 66 : 899-, 1994

5 E. Bousquet, 452 : 732-, 2008

6 A. S. Deepa, 509 : 1830-, 2011

7 J. Allen, 83 : 035207-, 2011

8 H. J. Kim, 5 : 061102-, 2012

9 X. Luo, 100 : 172112-, 2012

10 N. G. Zamkova, 250 : 1888-, 2013

11 H. J. Zhao, 89 : 174101-, 2014

12 J. Young, 44 : 10644-, 2015

13 H. Wang, 22 : 507-, 2016

14 D. S. Ginley, 25 : 15-, 2000

15 G. Thomas, 389 : 907-, 1997

16 H. Hosono, 515 : 6000-, 2007

17 H. Sim, 88 : 014101-, 2013

18 N. A. Benedek, 106 : 107204-, 2011

19 H. Sim, 89 : 144114-, 2013

20 R. D. Shannon, 32 : 751-, 1976

21 H. Mizoguchi, 126 : 3175-, 2004

22 A. M. Glazer, 28 : 3384-, 1972

23 M. W. Lufaso, 57 : 725-, 2001

24 N. Song, 91 : 134104-, 2015

25 J. Park, 235 : 68-, 2016

26 W. Zhang, 22 : 1859-, 2007

27 S. Baroni, 33 : 7017-, 1986

28 M. Gajdos, 73 : 045112-, 2006

29 G. Kresse, 54 : 11169-, 1996

30 G. Kresse, 59 : 1758-, 1999

31 J. P. Perdew, 100 : 136406-, 2008

32 H. J. Monkhorst, 13 : 5188-, 1976

33 D. Orobengoa, 42 : 820-, 2009

34 R. D. King-Smith, 47 : 1651-, 1993

35 D. Vanderbilt, 48 : 4442-, 1993

36 G. Burns, "Space Groups for Solid State Scientists" Academic 1990

37 "ISOTROPY"

38 송나영, "BaSnO3에서의 여러 Hybrid functional 을 이용한 전자구조 비교 계산" 한국물리학회 64 (64): 760-766, 2014