Obtention of bulk SrTiO3 phase diagrams as a function of strain and temperature

Abstract

ABSTRACT: Strontium titanate (SrTiO3) is one of the most widely used substrates when it comes to epitaxial growth of functional oxide thin films. It has been an attractive subject of research mainly due to its incipient ferroelectric behavior at low temperatures. At room temperature, and under standard conditions it exhibits a cubic phase (Pm3̅m) perovskite structure. However when temperature drops below 105 K it undergoes an antiferrodistortive phase transition due to the rotation of the oxygen octahedra, shifting to a tetragonal (I4/mcm) phase in the process. At really low temperatures ( ̴4 K) a ferroelectric transition should take place, were it not obstructed by quantum uctuations (a situation known as quantum paraelectricity). This ferroelectric transition may also be fostered by applying epitaxial strain (modifying its lattice constants) or electric fields. Making use of Monte Carlo simulations from second principles an attempt will be made to replicate the aforementioned antiferrodistortive transition, as well as to observe the material's temperature-dependant behaviour while imposing strain restrictions, enabling the obtention of a bulk SrTiO3 phase diagram. This type of diagrams, known as Pertsev diagrams, are really sought after by experimental groups as they represent a trustworthy guide while navigating the different phases of the material at hand. This represents one of the most interesting aspects of this work, as this kind of diagrams have never been published while being produced with atomistic simulations (they are only accessible via phenomenological Ginzburg-Landau models). This novelty is mainly due to the large size of the simulations involved –between 2500 and 5000 atoms-, only possible thanks to the second-principles techniques used in this work. They provide a much greater eficiency compared to traditional DFT methods while maintaining a similar level of precision. This has granted the opportunity to carry out an analysis of the domain structure within several phases of the material, some of which displaying interesting, unexpected patterns. The previously mentioned rotations as well as ferroelectricity-related distortions have been quantified by means of a generalized mode projection system, developed specifically for this work.

RESUMEN: El titanato de estroncio (SrTiO3) es uno de los materiales más utilizados como substrato para crecer de forma epitaxial láminas delgadas de óxidos funcionales. Se trata de un material ampliamente estudiado sobretodo debido a su comportamiento de ferroeléctrico incipiente a bajas temperaturas. A temperatura ambiente, y en condiciones estándar posee una estructura perovskita en fase cúbica (Pm3̅m). Sin embargo al descender por debajo de los 105 K sufre una transición antiferrodistortiva debida a la rotación de los octaedros de oxígeno, pasando a una fase tetragonal (I4/mcm) en el proceso. A muy bajas temperaturas ( ̴4 K) debería observarse una transición ferroeléctrica, pero está frustrada por las fluctuaciones cuánticas (se dice que es un paraeléctrico cuántico). Esta transición ferroeléctrica se puede activar a través otros mecanismos, como aplicando tensiones epitaxiales (modificaciones de su parámetro de red) o campos eléctricos. Mediante simulaciones Monte Carlo desde segundos principios se tratará de replicar la transición antiferrodistortiva ya mencionada, así como observar su comportamiento con la temperatura al aplicar restricciones de tensión, permitiendo obtener un diagrama de fases de SrTiO3 en volumen. Este tipo de diagramas, denominados diagramas de Pertsev, son muy codiciados por los grupos experimentales ya que suponen una guía fiable para navegar entre las diferentes fases que pudieran aparecer. Esto supone uno de los mayores puntos de interés de este trabajo, ya que este tipo de diagramas nunca se han publicado con simulaciones atómicas (solo son accesibles con modelos fenomenólogicos del tipo de Ginzburg-Landau). Esta novedad se debe principalmente al gran tamaño de las simulaciones utilizadas -de entre 2500 y 5000 átomos-, posibles gracias al uso de técnicas de segundos principios, que permiten una mayor eficiencia que los métodos DFT tradicionales con una precisión similar. Esto ha permitido, por ejemplo, un análisis de la estructura de dominios en diversas fases del material, llegándose a observar patrones relativamente complejos e inesperados. Tanto dichas rotaciones como las posibles distorsiones ferroeléctricas se han cuantificado por medio de un sistema generalizado de proyección de modos, desarrollado explícitamente para este trabajo.