Tenké vrstvy BaTiO₃/LaNiO₃: od difrakce k počítačovým simulacím

J. Drahokoupil^1,2,3, M. Lebeda^1,2,3, J. Remsa¹

¹Fyzikální ústav, Akademie věd České Republiky, Na Slovance 2, 182 21 Praha 8, Česká Republika

²Katedra inženýrství pevných látek, Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská v Praze, České vysoké učení technické v Praze, Technická 4, 166 07 Praha 6 - Dejvice, Česká Republika

³Ústav fyziky, Fakulta strojní, České vysoké učení technické v Praze, Technická 4, 166 07 Praha 6 - Dejvice, Česká Republika

draho@fzu.cz

Barium titanát, BaTiO3 (BTO) je klíčový materiál v moderní elektronice, kde má velmi široké uplatnění díky svým feroelektrickým, dielektrickým a piezoelektrickým vlastnostem. Další zajímavou látkou je LaNiO₃ (LNO), který je jako jeden z mála perovskitů vodivý i při pokojové teplotě, a proto nachází uplatnění např. v tenkých vrstvách v kombinaci s ostaními perovskitovými materiály. Tento příspěvek se bude věnovat charakterizaci a teoretickým předpovědím směsného perovskitu BTO/LNO, který byl připraven ve formě tenkých vrstev na křemíkovém substrátu. Pro přípravu těchto vrstev byl použit unikátní systém skládající se s klasického PLD (pulzní laserová depozice) systému obohaceného o druhý terč v tzv. "off-axis” poloze. Snaha o přípravu objemových vzorků vede většinou ke vzniku více fází.  Ač se na první pohled tyto dva krystalické systémy líší, viz obr. 1 – BTO bývá při pokojové teplotě v pseuduokubické struktuře s malou tetragonální výchylkou a LNO má při pokojové teplotě rhobohedrickou strukturu jsou difrakční záznamy těchto dvou perovskitů podobné. Při vhodné volbě mřížových parametrů dokonce těžko rozlišitelné – viz obr. 2.

Obrázek 1. Krystalová struktura BaTiO3 (vlevo) a LaNiO3 (vpravo).

Obrázek. 2. Teoretické difrakční záznamy pro BaTiO₃ (P4mm - a=3,943, b=3,958) a  LaNiO₃ (R-3cH - a=5,578, c=13,677). (Nagenerováno pomocí programu XRDlicious.)

Připravené vrstvy s různou koncentrací BTO či LNO vykazují krystalickou formu a difrakční záznam ukazuje, v rámci svého rozlišení, na jednu krystalickou mřížku. Vzhledem k pozorovanému rozšíření dikrakčních píků rozlišit nelze velmi podobné mřížky rozlišit a nelze vyloučit separaci na části bohatší na Ba resp. La.

Kromě různých experimentální technik byl tento systém studováni také pomocí DFT výpočtů a pomocí strojově naučeného (na DFT data) meziatomové potenciálu MACE a jeho implementaci do námi vytvořeného (nejenom) grafického rozhraní MACE GUI. Kromě výpočtu mřížkových parametrů jsme se zajímali i o energetickou výhodnost obsazovaní konkrétních atomových pozice různými prvky. Na obr. 3 je zobrazeno několik běhů genetického algoritmu s cílem najít vhodné rozmístění  Ba/La a Ti/Ni v superbuňce obsahující 320 atomů. Superbuňka vycházela z tetragonální struktury BTO a předpokládali jsme, že La obsazuje stejnou atomovou pozici jako Ba a Ni stejnou atomovou pozici jako Ti. Mřížkové parametry pro studovanou koncentraci 50:50 byli převzaté z experimentální dat a geometrická optimalizace pozic atomů či velikosti superbuňky nebyla prováděna. Je patrné, že pro takto velkou superbuňku nebylo velmi pravděpodobně nalezeno globální minimum, protože každý běh dopadl jinak. 

Obrázek 3. Několik běhů genetického algoritmu s cílem najít energeticky nejvýhodnější obsazení atomových pozic – výstup z programu MACE GUI.