TOChEChNYE DEFEKTY V ShPINELYaKh FeMe2O4 (Me = Fe, Cr): ISSLEDOVANIE V RAMKAKh METODA DFT+U

Capa
  • Autores: Chichevatov G.D.1,2, Stegaylov V.V.1,2,3
  • Afiliações:
    1. Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
    2. Московский физико-технический институт (Национальный исследовательский университет)
    3. Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
  • Edição: Volume 166, Nº 3 (2024)
  • Páginas: 347-373
  • Seção: Articles
  • URL: https://transsyst.ru/0044-4510/article/view/653827
  • DOI: https://doi.org/10.31857/S0044451024090062
  • ID: 653827

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

Кристаллы класса шпинелей AMe2O4 находят широкое практическое применение, от фотокатализа до спинтроники, но зачастую обладают нетривиальными электронными и магнитными свойствами, нелегко поддающимися теоретическому описанию. В работе были проведены расчеты в рамках метода DFT+U для всевозможных нейтральных точечных дефектов в Fe3O4 (магнетит) и FeCr2O4 (хромит) и рассмотрены всевозможные типы катионных и кислородных дефектов в обеих шпинелях. Полученные результаты раскрывают как сходства, так и принципиальные различия дефектных соединений Fe3O4 и FeCr2O4, характеризуя хромит как более дефектоустойчивый материал, и могут служить подспорьем для развития новых многомасштабных моделей коррозии сталей.

Sobre autores

G. Chichevatov

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук; Московский физико-технический институт (Национальный исследовательский университет)

Email: chichevatov.gd@phystech.edu
Москва, Россия; Долгопрудный, Московская обл., Россия

V. Stegaylov

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук; Московский физико-технический институт (Национальный исследовательский университет); Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Москва, Россия; Долгопрудный, Московская обл., Россия; Москва, Россия

Bibliografia

  1. К. И. Кугель, Д. И. Хомский, УФН 136, 621 (1982).
  2. С. В. Стрельцов, Д. И. Хомский, УФН 187, 1205 (2017).
  3. D. I. Khomskii and S. V. Streltsov, Chem. Rev. 121, 2992 (2021).
  4. М. Ю. Каган, К. И. Кугель, Д. И. Хомский, ЖЭТФ 120, 470 (2001).
  5. I. I. Mazin, D. I. Khomskii, R. Lengsdorf, J. A. Alonso, W. G. Marshall, R. M. Ibberson, A. Podlesnyak, M. J. Mart´ınez-Lope, and M. M. Abd-Elmeguid, Phys. Rev. Lett. 98, 176406 (2007).
  6. А. О. Сбойчаков, А. В. Рожков, К. И. Кугель, А. Л. Рахманов, Письма в ЖЭТФ 112, 693 (2020).
  7. A. Bosak, D. Chernyshov, M. Hoesch, P. Piekarz, M. Le Tacon, M. Krisch, A. Kozl�owski, A. M. Ole´s, and K. Parlinski, Phys. Rev. X 4, 011040 (2014).
  8. S. V. Ovsyannikov, M. Bykov, E. Bykova, D. P. Kozlenko, A. A. Tsirlin, A. E. Karkin, V. V. Shchennikov, S. E. Kichanov, H. Gou, A. M. Abakumov, R. Egoavil, J. Verbeeck, C. McCammon, V. Dyadkin, D. Chernyshov, S. van Smaalen, and L. S. Dubrovinsky, Nat. Chem. 8, 501 (2016).
  9. S. V. Ovsyannikov, M. Bykov, S. A. Medvedev, P. G. Naumov, A. Jesche, A. A. Tsirlin, E. Bykova, I. Chuvashova, A. E. Karkin, V. Dyadkin, D. Chernyshov, and L. S. Dubrovinsky, Angew. Chem. Int. Ed. 59, 5632 (2020).
  10. V. I. Anisimov, I. S. Elfimov, N. Hamada, and K. Terakura, Phys. Rev. B 54, 4387 (1996).
  11. V. S. Zhandun, N. V. Kazak, I. Kupenko, D. M. Vasiukov, X. Li, E. Blackburn, and S. G. Ovchinnikov, Dalton Trans. 53, 2242 (2024).
  12. V. I. Anisimov, J. Zaanen, and O. K. Andersen, Phys. Rev. B 44, 943 (1991).
  13. A. I. Liechtenstein, V. I. Anisimov, and J. Zaanen, Phys. Rev. B 52, R5467 (1995).
  14. V. I. Anisimov, F. Aryasetiawan, and A. I. Lichtenstein, J. Phys.: Condens. Matter 9, 767 (1997).
  15. V. I. Anisimov, A. I. Poteryaev, M. A. Korotin, A. O. Anokhin, and G. Kotliar, J. Phys. Condens. Matter 9, 7359 (1997).
  16. G. Trimarchi, I. Leonov, N. Binggeli, D. Korotin, and V. I. Anisimov, J. Phys.: Condens. Matter 20, 135227 (2008).
  17. L. Hozoi, L. Siurakshina, P. Fulde, and J. van den Brink, Sci. Rep. 1, 65 (2011).
  18. S. Nishimoto, V. M. Katukuri, V. Yushankhai, H. Stoll, U. K. R¨oßler, L. Hozoi, I. Rousochatzakis, and J. van den Brink, Nat. Commun. 7, 10273 (2016).
  19. D. A. Maltsev, Y. V. Lomachuk, V. M. Shakhova, N. S. Mosyagin, L. V. Skripnikov, and A. V. Titov, Phys. Rev. B 103, 205105 (2021).
  20. A. V. Oleynichenko, Y. V. Lomachuk, D. A. Maltsev, N. S. Mosyagin, V. M. Shakhova, A. Zaitsevskii, and A. V. Titov, Phys. Rev. B 109, 125106 (2024).
  21. J. Zhang, Corros. Sci. 51, 1207 (2009).
  22. Q. Chen, Y. Chen, F. Zhang, J. Yang, C. Zhu, W. Zhang, H. Liu, Y. Zhong, J. Deng, Q. Li, N. Liu, and J. Yang, J. Nucl. Mater. 573, 154097 (2023).
  23. N. Li and J. Zhang, Oxid. Met. 63, 353 (2005).
  24. K. Lambrinou, V. Koch, G. Coen, J. Van den Bosch, and C. Schroer, J. Nucl. Mater. 450, 244 (2014).
  25. L. Martinelli and F. Balbaud-C´el´erier, Mater. Corros. 62, 531 (2011).
  26. D. Kolotinskii, V. Nikolaev, V. Stegailov, and A. Timofeev, Corros. Sci. 211, 110829 (2023).
  27. Y. Li, R. Zhou, X. Long, T. Gao, and C. Chen, J. Nucl. Mater. 583, 154492 (2023).
  28. D. Li, C. Song, H. Y. He, C. S. Liu, and B. C. Pan, Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 7417 (2014).
  29. D. Li, B. Qu, H. Y. He, Y. G. Zhang, Y. Xu, B. C. Pan, and R. Zhou, Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 7789 (2016).
  30. Y. Lei, Y. Zhang, X. Li, Y. Xu, X. Wu, X. Wang, M. Sun, J. Yang, C. Liu, and Z. Wang, J. Nucl. Mater. 582, 154470 (2023).
  31. E. J. W. Verwey, Nature 144, 327 (1939).
  32. E. J. Verwey, P. W. Haayman, and F. C. Romeijn, J. Chem. Phys. 15, 181 (1947).
  33. J. E. Lorenzo, C. Mazzoli, N. Jaouen, C. Detlefs, D. Mannix, S. Grenier, Y. Joly, and C. Marin, Phys. Rev. Lett. 101, 226401 (2008).
  34. G. Shirane, D. E. Cox, and S. J. Pickart, J. Appl. Phys. 35, 954 (1964).
  35. S. Bord´acs, D. Varjas, I. K´ezsm´arki, G. Mih´aly, L. Baldassarre, A. Abouelsayed, C. A. Kuntscher, K. Ohgushi, and Y. Tokura, Phys. Rev. Lett. 103, 077205 (2009).
  36. S. Nakamura and A. Fuwa, Phys. Procedia 75, 747 (2015).
  37. K. Tomiyasu, H. Hiraka, K. Ohoyama, and K. Yamada, J. Phys. Soc. Jpn. 77, 124703 (2008).
  38. J. A. G. Cer´on, D. A. L. T´ellez, and J. Roa-Rojas, J. Electron. Mater. 51, 822 (2022).
  39. H.-T. Jeng, G. Y. Guo, and D. J. Huang, Phys. Rev. Lett. 93, 156403 (2004).
  40. I. Leonov, A. N. Yaresko, V. N. Antonov, M. A. Korotin, and V. I. Anisimov, Phys. Rev. Lett. 93, 146404 (2004).
  41. H. P. Pinto and S. D. Elliott, J. Phys. Condens. Matter 18, 10427 (2006).
  42. P. Piekarz, K. Parlinski, and A. M. Ole´s, Phys. Rev. Lett. 97, 156402 (2006).
  43. P. Piekarz, K. Parlinski, and A. M. Ole´s, Phys. Rev. B 76, 165124 (2007).
  44. F. Zhou and G. Ceder, Phys. Rev. B 81, 205113 (2010).
  45. P. W. Anderson, Phys. Rev. 102, 1008 (1956).
  46. H.-Y. Huang, Z.-Y. Chen, R.-P. Wang, F. M. de Groot, W.-B. Wu, J. Okamoto, A. Chainani, A. Singh, Z.-Y. Li, J.-S. Zhou, H.-T. Jeng, G. Y. Guo, J.-G. Park, L. H. Tjeng, C. T. Chen, and D. J. Huang, Nat. Commun. 8, 15929 (2017).
  47. M. S. Senn, J. P. Wright, and J. P. Attfield, Nature 481, 173 (2012).
  48. M. S. Senn, J. P. Wright, J. Cumby, and J. P. Attfield, Phys. Rev. B 92, 024104 (2015).
  49. M. S. Senn, I. Loa, J. P. Wright, and J. P. Attfield, Phys. Rev. B 85, 125119 (2012).
  50. P. Piekarz, D. Legut, E. Baldini, C. A. Belvin, T. Kol�odziej, W. Tabi´s, A. Kozl�owski, Z. Kakol, Z. Tarnawski, J. Lorenzana, N. Gedik, A. M. Ole´s, J. M. Honig, and K. Parlinski, Phys. Rev. B 103, 104303 (2021).
  51. W. Wang, J. Li, Z. Liang, L. Wu, P. M. Lozano, A. C. Komarek, X. Shen, A. H. Reid, X. Wang, Q. Li, W. Yin, K. Sun, I. K. Robinson, Y. Zhu, M. P. Dean, and J. Tao, Sci. Adv. 9, eadf8220 (2023).
  52. J. Noh, O. I. Osman, S. G. Aziz, P. Winget, and J.-L. Br´edas, Sci. Technol. Adv. Mater. 15, 044202 (2014).
  53. J.-H. Park, L. H. Tjeng, J. W. Allen, P. Metcalf, and C. T. Chen, Phys. Rev. B 55, 12813 (1997).
  54. D. Schrupp, M. Sing, M. Tsunekawa, H. Fujiwara, S. Kasai, A. Sekiyama, S. Suga, T. Muro, V. A. M. Brabers, and R. Claessen, Europhys. Lett. 70, 789 (2005).
  55. S. K. Park, T. Ishikawa, and Y. Tokura, Phys. Rev. B 58, 3717 (1998).
  56. A. Hevroni, M. Bapna, S. Piotrowski, S. A. Majetich, and G. Markovich, J. Phys. Chem. Lett. 7, 1661 (2016).
  57. A. Banerjee and A. J. Pal, J. Phys.: Condens. Matter 32, 055701 (2019).
  58. L. Craco, M. S. Laad, and E. Mu¨ller-Hartmann, Phys. Rev. B 74, 064425 (2006).
  59. S. Srivastava, B. P. Uberuaga, and M. Asta, J. Phys. Chem. C 127, 17460 (2023).
  60. H. Liu and C. Di Valentin, J. Phys. Chem. C 121, 25736 (2017).
  61. М. И. Шутикова, В. В. Стегайлов, ЖЭТФ 160, 249 (2021).
  62. M. I. Shutikova and V. V. Stegailov, J. Phys.: Condens. Matter 34, 475701 (2022).
  63. N. Naveas, R. Pulido, C. Marini, P. Gargiani, J. Hernandez-Montelongo, I. Brito, and M. Manso-Silv´an, J. Chem. Theory Comput. 19, 8610 (2023).
  64. E. Gu¨rsoy, G. B. Vonbun-Feldbauer, and R. H. Meißner, J. Phys. Chem. Lett. 14, 6800 (2023).
  65. O´. A. Restrepo, O´ . Arnache, J. Restrepo, C. S. Becquart, and N. Mousseau, Comput. Mater. Sci. 213, 111653 (2022).
  66. M. Robbins, G. Wertheim, R. Sherwood, and D. Buchanan, J. Phys. Chem. Sol. 32, 717 (1971).
  67. H. Levinstein, M. Robbins, and C. Capio, Mater. Res. Bull. 7, 27 (1972).
  68. K. Kose and S. Iida, J. Appl. Phys. 55, 2321 (1984).
  69. D. Lee and G. Chern, Physica B 407, 297 (2012).
  70. J. Ma, V. O. Garlea, A. Rondinone, A. A. Aczel, S. Calder, C. dela Cruz, R. Sinclair, W. Tian, S. Chi, A. Kiswandhi, J. S. Brooks, H. D. Zhou, and M. Matsuda, Phys. Rev. B 89, 134106 (2014).
  71. P. V. B. Pinho, A. Chartier, D. Menut, A. Barbier, M. O. Hunault, P. Ohresser, C. Marcelot, B. Warot-Fonrose, F. Miserque, and J.-B. Moussy, Appl. Surf. Sci. 615, 156354 (2023).
  72. D. Santos-Carballal, A. Roldan, R. Grau-Crespo, and N. H. de Leeuw, Phys. Rev. B 91, 195106 (2015).
  73. D. Das and S. Ghosh, J. Phys. D 48, 425001 (2015).
  74. C. Li, P. Li, L. Li, D. Wang, X. Gao, and X. J. Gao, RSC Adv. 11, 21851 (2021).
  75. Н. А. Фоминых, В. В. Стегайлов, Письма в ЖЭТФ 117, 857 (2023).
  76. S. A. Chambers, T. C. Droubay, T. C. Kaspar, I. H. Nayyar, M. E. McBriarty, S. M. Heald, D. J. Keavney, M. E. Bowden, and P. V. Sushko, Adv. Funct. Mater. 27, 1605040 (2017).
  77. C. Benhalima, S. Amari, L. Beldi, and B. Bouhafs, Spin 9, 1950014 (2019).
  78. D. A. Andersson and C. R. Stanek, Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 15550 (2013).
  79. L. Sun, J. Alloys Compd. 875, 160065 (2021).
  80. T. Ramachandran and F. Hamed, Mater. Res. Bull. 95, 104 (2017).
  81. A. Boudjemaa, R. Bouarab, S. Saadi, A. Bouguelia, and M. Trari, Appl. Energy 86, 1080 (2009).
  82. C. Freysoldt, B. Grabowski, T. Hickel, J. Neugebauer, G. Kresse, A. Janotti, and C. G. Van de Walle, Rev. Mod. Phys. 86, 253 (2014).
  83. R. Dieckmann, J. Phys. Chem. Sol. 59, 507 (1998).
  84. R. Dieckmann and H. Schmalzried, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 81, 344 (1977).
  85. R. Dieckmann and H. Schmalzried, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 81, 414 (1977).
  86. R. Dieckmann, T. O. Mason, J. D. Hodge, and H. Schmalzried, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 82, 778 (1978).
  87. R. Dieckmann, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 86, 112 (1982).
  88. R. Dieckmann, C. A. Witt, and T. O. Mason, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 87, 495 (1983).
  89. R. Dieckmann and H. Schmalzried, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 90, 564 (1986).
  90. M. Backhaus-Ricoult and R. Dieckmann, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 90, 690 (1986).
  91. R. Dieckmann, M. R. Hilton, and T. O. Mason, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 91, 59 (1987).
  92. J. T¨opfer, S. Aggarwal, and R. Dieckmann, Solid State Ion. 81, 251 (1995).
  93. S. Aggarwal and R. Dieckmann, Phys. Chem. Miner. 29, 695 (2002a).
  94. S. Aggarwal and R. Dieckmann, Phys. Chem. Miner. 29, 707 (2002b).
  95. N. Peterson, W. Chen, and D. Wolf, J. Phys. Chem. Solids 41, 709 (1980).
  96. J. A. Van Orman and K. L. Crispin, Rev. Mineral. Geochem. 72, 757 (2010).
  97. F. Millot and N. Yan, J. Phys. Chem. Solids 58, 63 (1997).
  98. S. Shousha, S. Khalil, and M. Youssef, Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 25518 (2021).
  99. C. L. Muhich, V. J. Aston, R. M. Trottier, A. W. Weimer, and C. B. Musgrave, Chem. Mater. 28, 214 (2016).
  100. Y. Meng, X.-W. Liu, C.-F. Huo, W.-P. Guo, D.B. Cao, Q. Peng, A. Dearden, X. Gonze, Y. Yang, J. Wang, H. Jiao, Y. Li, and X.-D. Wen, J. Chem. Theory Comput. 12, 5132 (2016).
  101. M. W. Chase, NIST-JANAF Thermochemical Tables, ACS, New York (1998).
  102. G. Kresse and J. Hafner, Phys. Rev. B 49, 14251 (1994).
  103. G. Kresse and J. Furthmuller, Comput. Mater. Sci. 6, 15 (1996).
  104. G. Kresse and J. Furthmuller, Phys. Rev. B 54, 11169 (1996).
  105. P. E. Blochl, Phys. Rev. B 50, 17953 (1994).
  106. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
  107. P. E. Blochl, O. Jepsen, and O. K. Andersen, Phys. Rev. B 49, 16223 (1994).
  108. S. L. Dudarev, G. A. Botton, S. Y. Savrasov, C. J. Humphreys, and A. P. Sutton, Phys. Rev. B 57, 1505 (1998).
  109. V. Stegailov, G. Smirnov, and V. Vecher, Concurr. Comput. Pract. Exp. 31, e5136 (2019).
  110. A. Stukowski, Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 18, 015012 (2010).
  111. S. P. Ong, W. D. Richards, A. Jain, G. Hautier, M. Kocher, S. Cholia, D. Gunter, V. L. Chevrier, K. A. Persson, and G. Ceder, Comput. Mater. Sci. 68, 314 (2013).
  112. I. Mosquera-Lois, S. R. Kavanagh, A. Walsh, and D. O. Scanlon, J. Open Source Softw. 7, 4817 (2022).
  113. I. Mosquera-Lois, S. R. Kavanagh, A. Walsh, and D. O. Scanlon, Npj Comput. Mater. 9, 1 (2023).
  114. S. E. Ziemniak, L. M. Anovitz, R. A. Castelli, and W. D. Porter, J. Chem. Thermodyn. 39, 1474 (2007).
  115. R. Snethlage and D. Klemm, Neues Jb. Miner. Abh. 125, 227 (1975).
  116. M. Shevchenko, D. Shishin, and E. Jak, Ceram. Int. 48, 33418 (2022).
  117. B. Dorado, B. Amadon, M. Freyss, and M. Bertolus, Phys. Rev. B 79, 235125 (2009).
  118. B. Meredig, A. Thompson, H. A. Hansen, C. Wolverton, and A. van de Walle, Phys. Rev. B 82, 195128 (2010).
  119. K. Sharma, L. Calmels, D. Li, A. Barbier, and R. Arras, Phys. Rev. Mater. 6, 124402 (2022).
  120. R. Arras, K. Sharma, and L. Calmels, J. Mater. Chem. C 12, 556 (2024).
  121. H. S. C. O’Neil and A. Navrotsky, Am. Mineral. 69, 733 (1984).
  122. R. Eppstein and M. Caspary Toroker, ACS Mater. Au. 2, 269 (2022).
  123. V. A. Kurepin, Contrib. Mineral. Petrol. 149, 591 (2005).
  124. D. Levy, R. Giustetto, and A. Hoser, Phys. Chem. Miner. 39, 169 (2012).
  125. Elnaggar, S. Graas, S. Lafuerza, B. Detlefs, W. Tabis, M. A. Gala, A. Ismail, A. van der Eerden, M. Sikora, J. M. Honig, P. Glatzel, and F. de Groot, Phys. Rev. Lett. 127, 186402 (2021).

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024