Strain and Interface Effects in Polar Oxides

Abstract

Ferroelectric materials, i.e. materials with a permanent electric dipole, have numerous applications in electronics. Their electric polarization is very sensitive to external stimuli, which means they can be used as sensors. They have a very high electric permittivity, and they are therefore excellent insulators in capacitors. Because the direction of polarization can be switched with an electric field, ferroelectric materials can be used as memories.

In electronic applications, such materials are employed as very thin films. In these cases, the properties of the materials change. The substrate on which the materials are grown strains the film, changing its polarization. This is an effect thus far not used in applications. Further, combining polar materials results in interfaces which can have completely novel electronic properties. New physical phenomena can be found at the interfaces of well-known polar oxides. Indeed, modern theory of polarization in oxides and interfaces has only recently been established. Such interfaces could be employed in future electronics. Predicting the effects that strain and interfaces will have in polar oxides requires careful quantum mechanical calculations, because the new phenomena result from a delicate interplay between different electronic states when the ionic environment is slightly changed. Calculating the electronic properties of such structures is possible with density-functional theory (DFT), which can yield close to accurate results for quantum mechanical systems of many electrons.

In this thesis, I first report DFT calculations on strain in well-known polar oxides. Collaborating with experimental researchers, I establish that it is possible to trigger ferroelectricity in a non-ferroelectric oxide by external strain. Further, I find out that the crystalline direction and symmetry of the substrate will have a crucial effect on the polarization of a ferroelectric oxide. In (111) crystalline direction, changing strain can switch the direction of one polarization component, or even prevent ferroelectric polarization.

Second, I report on my DFT studies on interfaces between certain polar oxides. So-called charge-imbalanced interfaces are found to be metallic, i.e. they give rise to a highly localized two-dimensional (2D) electron or hole gas. The interface type affects the ionic displacements in the structure. Further, in collaboration with experimental researchers, I suggest that one type of interface will become metallic and ferromagnetic. This is a new type of ferromagnetism, emerging at a 2D metallic interface between materials which are insulating and non-magnetic.

Ferrosähköisillä materiaaleilla, eli materiaaleilla, joilla on pysyvä sähköinen dipoli, on runsaasti sovelluksia elektroniikassa. Näiden materiaalien polarisaatio on hyvin herkkä ympäristölle, joten niitä voidaan käyttää sensoreina. Niillä on erittäin korkea sähköinen permittiivisyys, joten ne ovat erinomaisia eristeitä kondensaattoreissa. Koska dipolin suunta voidaan vaihtaa sähkökentän avulla, ferrosähköisiä materiaaleja voi käyttää muisteina.

Elektroniikassa polaarisia oksideja käytetään ohuina kalvoina. Tällöin materiaalien ominaisuudet muuttuvat. Substraatti, jonka päälle materiaali kasvatetaan, voi venyttää oksidikidettä ja vaikuttaa sen polarisaatioon. Tätä ilmiötä ei ole toistaiseksi käytetty sovelluksissa. Lisäksi kahden polaarisen materiaalin välisillä rajapinnoilla voi olla täysin uusia sähköisiä ominaisuuksia. Uusia fysikaalisia ilmiöitä voidaan löytää tunnettujen polaaristen oksidien rajapinnoilta. Moderni polarisaatioteoria oksideille ja rajapinnoille onkin kehitetty vasta äskettäin. Tällaisia rajapintoja voitaisiin käyttää tulevaisuuden elektroniikassa. Venymän ja rajapintojen vaikutusten ennustaminen vaatii tarkkoja kvanttimekaanisia laskelmia, sillä uudet ilmiöt syntyvät eri elektronitilojen välisestä vuorovaikutuksesta, kun ionien ympäristö muuttuu hieman. Tällaisten rakenteiden elektronisten ominaisuuksien laskeminen on mahdollista tiheysfunktionaaliteorialla (DFT), joka antaa melko tarkkoja tuloksia monesta elektronista koostuville kvanttimekaanisille systeemeille.

Tässä väitöskirjassa kuvailen ensin DFT-tutkimuksia venymästä tunnetuissa polaarisissa oksideissa. Yhteistyössä kokeellisten tutkijoiden kanssa totean, että ei-ferrosähköisestä oksidista on mahdollista tehdä ferrosähköinen ulkoisen venymän avulla. Lisäksi havaitsen, että substraatin kidesuunta ja symmetria vaikuttaa ratkaisevasti ferrosähköisen oksidin polarisaatioon. (111)-kidesuunnassa venymän muuttaminen voi kääntää polarisaation yhden komponentin suunnan tai jopa estää kokonaan ferrosähköisen polarisaation.

Toiseksi käsittelen DFT-tuloksiani eräiden polaaristen oksidien rajapinnoista. Havaitsen ns. varausepätasapainoisten rajapintojen olevan metallisia, eli ne synnyttävät hyvin paikallisen kaksiulotteisen (2D) elektroni- tai aukkokaasun. Rajapinnan tyyppi vaikuttaa rakenteen ionien siirtymiin. Lisäksi väitän yhteistyössä kokeellisten tutkijoiden kanssa, että tietyntyyppinen rajapinta on metallinen ja ferromagneettinen. Kyseessä on uudentyyppinen ferromagnetismi, joka syntyy 2D-metallisessa rajapinnassa eristävien ja ei-magneettisten oksidien välissä.