钙钛矿LaNiO3 外延薄膜中结构耦合的金属-绝缘体转变的第一性原理研究

Epitaxial strained Perovskite LaNiO3 thin film has recently become an active research topic due to its novel metal-insulator transition phenomenon. Despite the recent experimental progress in the synthesis and characterization of epitaxial strained LaNiO3 film, the underlying mechanism for its metal-insulator transition effect however is still under debate. Therefore,exploring the intrinsic properties of strained LaNiO3 system by means of ab initio computational method will be quite necessary. In this proposed research project, we will use density functional theory calculation, combining with Landau phase-transition formulism to study the crystal structures and electronic properties of the epitaxial strained LaNiO3 thin film and heterostructured super-lattice. We will also investigate the importance of epitaxial strain, film thickness and interface effect on the properties of LaNiO3 thin film. To characterize the strain.induced structural phase transition in LaNiO3 film, we will examine the evolution of structural order parameters with respect to the epitaxial strain, using Landau formalism and ab initio-derived phenomenological coefficients. Based on our calculations, we will present a complete understanding of the coupling between crystal lattice, orbital and charge ordering. The impact of each physical quantity on the properties of the strained LaNiO3 film, and the underlying mechanism for its metal-insulator transition effect will be discussed.

钙钛矿LaNiO3 外延薄膜因奇特的金属-绝缘体转变效应近年来备受研究者们的关注。尽管实验上在薄膜样品制备和性能表征上取得了很大的进展，然而对于LaNiO3 外延薄膜的本征物理性质，尤其是其金属-绝缘体转变的物理机制尚存在较大的分歧。因此利用第一性原理计算对LaNiO3 外延薄膜本征物理性质的系统理论研究就显得尤为重要。本项目采用第一性原理方法，并结合Landau 相变理论，系统地研究外延生长的LaNiO3 薄膜和异质结构超晶格的晶体结构和电子态性质，揭示外延应力、薄膜厚度和界面效应对LaNiO3 薄膜物理性质的影响。据此，建立体系的Landau 相变模型，用以表征LaNiO3 薄膜因外延应力而发生的结构相转变，并重点探索体系中晶格、轨道和电荷有序自由度之间的相互耦合，.阐明上述物理量在LaNiO3 外延薄膜中金属-绝缘体转变效应中的贡献。

自从2011年实验上发现外延LaNiO3薄膜的金属-绝缘体转变现象以来，对于该体系的研究已经成为钙钛矿氧化物领域的热点。本项目拟利用第一性原理计算阐明外延LaNiO3体系中晶格、轨道和电荷有序自由度之间的相互耦合，揭示上述物理量在LaNiO3薄膜中金属-绝缘体转变效应中的贡献。我们依照研究计划开展研究，取得如下成果：通过对LaNiO3外延薄膜的晶体结构和电子态性质模拟，我们获得了LaNiO3薄膜随外延应变的结构相图，并在此基础上建立了标志LaNiO3薄膜结构相变的Landau相变模型。我们计算得到LaNiO3薄膜的结构参数与实验测量结果符合的很好，而且我们进一步证实外延应变本身不足以诱导LaNiO3薄膜产生金属-绝缘体转变。除了LaNiO3外延薄膜，我们还将我们的研究对象扩展到了其他钙钛矿氧化物体系：我们设计出兼具杂化反常铁电性的“亚铁电”相和 常规铁电性的“铁电”相的LaScO3/BiScO3超晶格，并预测在1.0 %拉升性应变下，LaScO3/BiScO3将发生“亚铁电-铁电”相变。这是在钙钛矿氧化物体系中首次报道“亚铁电-铁电”铁性相变，该相变将有望成为能够产生大压电响应的新途径。我们对实验上发现的氢氧化物BaTiO3-xHx进行了计算结果表明：H可以作为阴离子在钙钛矿结构中稳定存在，经过氢化之后，BaTiO3会由四方相的铁电绝缘体转变成接近立方相的顺电金属。上述结果对于实验中BaTiO3-xHx的金属电导性给出了合理解释。我们通过与实验组合作，系统地研究了BiFeO3外延薄膜中铁电极化与铁弹形变的耦合、关联。我们计算得出了BiFeO3薄膜在压缩性外延应变下的结构相图，发现了在-5 %外延应变下BiFeO3会出现由类三方相到类四方相的不连续结构相变。我们预测发生结构相变后BiFeO3的c轴长度将增加15 %，从而产生巨大的铁弹形变，与实验结果吻合地很好。上述研究成果分别发表在Nature Communications, Adv. Funct. Mater., Adv. Mater. Interfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Phys. Chem. C等国际权威期刊上。本项目共发表论文7篇，我们的研究工作在发表后受到国内外同行的广泛关注，至今已共被引用三十余次。