Defect chemistry of oxide interfaces by first principles calculations - DECOXIF

Oksidmaterialer har svært varierte egenskaper med stort teknologisk potensial. Mange av disse egenskapene kommer av defekter i krystallgitteret, mens andre egenskaper svekkes av slike defekter. Det er krevende, men helt nødvendig, å kontrollere antallet og typen defekter under fremstilling av materialene. Når komponenter til elektronikk blir stadig mindre vil både grenseflater, og defekter på disse, få relativt sett større betydning for egenskapene. Her ønsker vi å komme frem til generell regler for hvordan vi kan kontrollere typen defekter, hvor de samles, og hvilken betydning disse defektene vil ha for de fysiske egenskapene. Slik generell kunnskap vil bidra til utvikling av materialer til minneteknologi, sensorer, batterier og brenselceller. Grenseflater med defekter forventes også å kunne oppvise unike egenskaper, som ledningsevne eller magnetisme, som det ikke er mulig å realisere i enkeltstående materialer. I dette prosjektet simulerer vi multiferroiske materialer der vi spesielt undersøker grenseflater mellom en tynn film av materialet og et substrat materialet gros på. Vi studerer også indre grenseflater i form av domenevegger mellom ferroelektriske domener der alle de elektriske dipolene peker i samme retning. Elektronstrukturberegninger har blitt brukt til å studere krystalldefekter, dopanter og urenheter på grenseflater. Ved å simulere materialer på atomær skala kan betydningen av defekter forstås på en lengdeskala og med en nøyaktighet som ikke er mulig å oppnå med tilgjengelige eksperimentelle metoder.

-

In order to understand the chemistry of point defects at oxide interfaces the DECOXIF project will apply the principles of solid state chemistry to epitaxial interfaces and domain walls in multiferroic materials. We will use density functional theory (DFT ) to simulate point defects at oxide interfaces to study their energetic stability and impact on the electronic and crystallographic structure, and to predict physical properties like electrical conductivity and magnetic order. From an experimental point of view the preparation and characterization of oxide interfaces is challenging. By using the "DFT microscope" we can investigate in detail the thermodynamic stability of a large number of combinations of domain walls and point defects to assess which are likely to form in real systems. Epitaxial strain conditions will be tuned computationally to establish the interaction between lattice strain and defects. The local effect of impurities on the stability, crystal structure and electronic properties of oxi de interfaces will be investigated. The output of the DECOXIF will be intuitive guidelines, based on solid state chemistry, for designing enhanced interface functionality through point defects. This is enabling knowledge for future innovations in oxide el ectronics. The chemical approach to point defects at interfaces is highly transferable to related areas of materials science, like fuel cells, batteries and solar cells. Two PhD candidates will be educated and the research group will expand its activity i n a new and fundamental direction in collaboration with leading international experts. The project will strengthen computational materials science at both an institutional and a national level, and utilize the resources of the Norwegian metacenter for com putational science NOTUR.