Estudio por DFT de vacancias de oxígeno e influencia sobre el gas de electrones bidimensional en SrTiO3 y en SrTiO3/Al

Abstract

En este trabajo se estudió mediante Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) las vacancias de oxígeno en SrTiO3 y SrTiO3 recubierto con Al para ver su influencia sobre el gas de electrones bidimensional que se observa experimentalmente en la superficie de estos sistemas. Se encontró que en ambos casos las bandas que se pudieron obtener se asemejan a aquellas obtenidas mediante Espectroscopía de Fotoemisión Resuelta en Ángulo (ARPES) y que, en el caso de SrTiO3, las capas donde esta conducción toma lugar no es la propia superficie, sino que en capas más internas. Estudiando la energía de formación de vacancias se demostró que existe un sitio preferencial para vacancias en la superficie (la cual corresponde a una capa de TiO2) y que la posición menos favorable es la segunda capa (de SrO). Utilizando Nudged Elastic Band (NEB) también pudimos hallar que al sistema se lo puede dividir en dos zonas, denominadas ‘capas superficiales’ (compuesto por las primeras dos capas) y ‘capas subsuperficiales’, donde si un defecto se encuentra inicialmente en una de estas, difícilmente pueda pasar a la otra, al menos a bajas temperaturas, debido a las altas barreras energéticas que necesita superar para poder hacerlo. También se propone que esta división puede estar favoreciendo la estabilidad de este sistema bidimensional debido a que permite confinar a las vacancias en la superficie. Para los sistemas terminados en Al se encontró que las vacancias en la capa de TiO2 más externa presentan una menor energía que en la propia superficie, lo que lleva una barrera energética que estos defectos necesitan superar para ser reemplazados por un átomo de oxígeno, y que en este caso la conducción ocurre en la primera capa de TiO2 (en vez de las capas más internas como se veía antes).

In this work, the oxygen vacancies in SrTiO3 and Al-coated SrTiO3 were studied using Density Functional Theory (DFT) to see their influence on the experimentally observed two-dimensional electron gas at the surface of these systems. We show that in both cases the bands obtained were similar to those found experimentally using Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES) and that, in the case of SrTiO3, the surface atoms are not responsable for the first conduction band, instead this takes place in the inner layers. When studying the formation energy of these defects we show that there exists a lower energy site at the Surface layer (which corresponds to a TiO2 layer) and that the second layer (SrO) proves to be the least favorable site. Using Nudged Elastic Band (NEB) we also found that we can divide our system into two zones, which were called 'superficial layers' (made up of the first two layers) and 'subsurface layers' and, if a defect is found in one of these zones initially, the energy barrier needed to move to the other ensures that this does not happen (at least at low temperatures). We also propose that this division favors the formation and stability of this two-dimensional state since it helps confine the vacancies near the surface. For the systems coated in Al, we found that vacancies in the TiO2 layer closest to the surface show a lower formation energy than those in the Al layer, meaning that these defects need an extra energy input to be filled with oxygen atoms, and that in this case the conduction occurs in the topmost layer of TiO2 (instead of those further from the surface like before).