Layer-dependent electronic structures and magnetic ground states of polar-polar LaVO3/KTaO3 (001) heterostructures

异质结 极地的 基态 凝聚态物理 哈密顿量(控制论) 物理 铁磁性 材料科学 原子物理学 量子力学 数学优化 数学
作者
Shubham Patel,Narayan Mohanta,Snehasish Nandy,S. D. Mahanti,A. Taraphder
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:110 (5)
标识
DOI:10.1103/physrevb.110.054402
摘要

Employing a first-principles and model Hamiltonian approach, we work out the electronic properties of polar-polar ${\mathrm{LaVO}}_{3}/{\mathrm{KTaO}}_{3}$ (LVO/KTO, 001) heterostructures, with up to six layers of KTO and five layers of LVO. Our analyses indicate the existence of multiple Lifshitz transitions (LTs) within the ${t}_{2g}$ bands, which can be fine-tuned by adjusting the number of LVO layers or applying gate voltage. Contrary to the experimental report, spin-orbit coupling is found to be negligible, originating solely from the Ta $5{d}_{xy}$-derived band of KTO, while the $5{d}_{xz}$ and $5{d}_{yz}$ bands are considerably away from the Fermi level while LVO overlayers having no role in it. Magnetic properties of the heterostructures, due to vanadium ions, exhibit a pronounced sensitivity to the number of LVO and KTO layers. Our calculations indicate that the interlayer AFM, (so called A-AFM), is energetically most favorable. This is further supported by ground state energy calculations on extended $\sqrt{2}\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}\sqrt{2}$ supercells. Moreover, we find that an insulator to metal transition at the interface requires four LVO layers, corroborating the experimental observation. The interfaces featuring ferromagnetic (FM) ground states turn out to be half-metallic after the critical thickness is reached. Considerations of the magnetic interactions appear crucial for the experimentally observed critical thickness for metallicity.
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