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Multiferroic ground states in free standing perovskite-based nanodots: a density functional theory study

纳米点 材料科学 密度泛函理论 铁电性 多铁性 基态 凝聚态物理 钙钛矿(结构) 磁性 极地的 纳米技术 结晶学 物理 计算化学 原子物理学 电介质 化学 量子力学 光电子学
作者
Karthik Guda Vishnu,Samuel Temple Reeve,Alejandro Strachan
出处
期刊:Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering [IOP Publishing]
卷期号:29 (5): 055002-055002 被引量:1
标识
DOI:10.1088/1361-651x/abdb43
摘要

Abstract We use density functional theory to investigate the possibility of polar and multiferroic states in free-standing, perovskite-based nanodots at the atomic limit of miniaturization: single unit cells with terminations which allow centro-symmetry. We consider both A-O and B-O 2 terminations for three families of nanodots: (i) A = Ba with B = Ti, Zr, and Hf; (ii) A = Ca and Sr with B = Ti; and (iii) A = Na and K with B = Nb. We find all A–O terminated dots to be non-polar and to exhibit cubic symmetry (except for K 8 NbO 6 ), regardless of the presence of ferroelectricity in the bulk. In contrast, all the B–O 2 terminated nanodots considered relax to a non-cubic ground state. Rather surprisingly, all of these structures exhibit polar ground states (except NaNb 8 O 12 ). We propose a new structural parameter, the cluster tolerance factor (CTF), to determine whether a particular chemistry will result in a polar ground state nanodot, analogous to the Goldschmidt factor for bulk ferroelectrics. In addition, we find that all A–O terminated (except Ca 8 TiO 6 ) and all polar B–O 2 terminated nanodots are magnetic, where none show magnetism in the bulk. As with bulk systems, multiferroicity in the B–O 2 terminated dots originates from separation between spin density in peripheral B atoms and polarity primarily caused by the off-center central A atom. Our findings stress that surface termination plays a crucial role in determining whether ferroelectricity is completely suppressed in perovskite-based materials at their limit of miniaturization.
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