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Microscopic Link between Electron Localization and Chemical Expansion in AMnO3 and ATiO3 Perovskites (A = Ca, Sr, Ba)

锰铁矿 电子定域函数 化学键 钙钛矿(结构) 共价键 电子结构 电子 凝聚态物理 材料科学 钛酸酯 氧化物 化学物理 化学 结晶学 物理 铁磁性 陶瓷 复合材料 有机化学 冶金 量子力学
作者
Astrid Marthinsen,Tor Grande,Sverre M. Selbach
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:124 (24): 12922-12932 被引量:13
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.0c02060
摘要

The microscopic origin of chemical expansion in perovskite oxides, due to formation of oxygen vacancies accompanied by formal reduction of a 3d transition metal, is studied by first-principles calculations. We compare the II–IV manganite and titanate series, having Ca, Sr, or Ba on the A site. In particular, the effect of electron localization is elucidated by systematically varying the Hubbard U, and we find that the localization behavior is significantly different in the manganites and titanates. The chemical expansion is explicitly calculated for all compounds, and we demonstrate that increasing on-site repulsion (Hubbard U) on the B site in the lattice yields increased chemical expansion in the manganites and reduced chemical expansion in the titanates. The opposite behavior of the manganites and titanates arises from different electrostatic screenings of oxygen vacancies. We show that this can be attributed to differences in electronic energy levels, specifically that Mn–O bonds are more covalent than Ti–O bonds. Fundamental understanding of electronic and crystal chemical origins of the important phenomenon of chemical expansion is required for rational design of oxide materials for energy technology, sensors, and actuators. We hope our analysis will inspire further fundamental studies of other oxides for solid state ionics applications.

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