JP7696748B2 - Search method for wurtzite crystal structure ferroelectric material and wurtzite crystal structure ferroelectric material - Google Patents
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特許法第30条第2項適用 ウェブサイトの掲載日:令和2年12月7日 ウェブサイトのアドレス:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0023626 ウェブサイトの掲載日:令和2年12月10日 ウェブサイトのアドレス:https://www.jfcc.or.jp/press/r20_6.html ウェブサイトの掲載日:令和2年12月10日 ウェブサイトのアドレス:https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/536Article 30,
本発明は、第一原理計算を用いる抗電界の低いウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法、及び抗電界の低いウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料に関する。 The present invention relates to a method for searching for ferroelectric materials with a wurtzite crystal structure and a low coercive electric field using first-principles calculations, and to ferroelectric materials with a wurtzite crystal structure and a low coercive electric field.
従来、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)をはじめとする強誘電体材料は、不揮発強誘電体メモリ、携帯電話やパソコンのフィルタやアクチュエータとして広く用いられているが、その材料の多くに鉛が用いられてきた。近年では環境問題から、鉛を含有しない非鉛強誘電体材料の研究開発も盛んに行われているが、高い性能を有する強誘電体材料の多くは酸素八面体からなるペロブスカイト型結晶構造及びその類似構造を有している。
一方、ウルツ鉱型構造(空間群P63mc)の結晶は中心対象ではないため、従来は非強誘電性であると考えられてきた。しかし、近年ではその強誘電性について実証実験が行われている。例えば、ウルツ鉱構造のScドープAlN薄膜のP-Eヒステリシスループが報告されている(非特許文献1を参照。)。しかし、ScドープAlN薄膜の分極反転障壁は非常に高く、従来の代表的なペロブスカイト型強誘電体材料であるBaTiO3、PbTiO3等よりも約2桁高くなる。強誘電体材料を強誘電体メモリ等のデバイスに用いようとすると分極反転障壁が低い(例えば100kV/cm程度)ことが必要とされ、ウルツ鉱型構造を有する強誘電体材料の実際の用途は制限されていた。
Ferroelectric materials such as lead zirconate titanate (PZT) have been widely used in non-volatile ferroelectric memories, filters and actuators for mobile phones and personal computers, but lead has been used in many of these materials. In recent years, due to environmental concerns, research and development of lead-free ferroelectric materials has been actively conducted, but many high-performance ferroelectric materials have a perovskite crystal structure consisting of oxygen octahedra or a similar structure.
On the other hand, crystals with a wurtzite structure (space group P6 3 mc) are not centrally symmetric, and therefore have been conventionally considered to be non-ferroelectric. However, in recent years, demonstration experiments have been conducted on their ferroelectricity. For example, a P-E hysteresis loop of a Sc-doped AlN thin film with a wurtzite structure has been reported (see Non-Patent Document 1). However, the polarization inversion barrier of the Sc-doped AlN thin film is very high, about two orders of magnitude higher than that of BaTiO 3 , PbTiO 3 , and the like, which are typical conventional perovskite-type ferroelectric materials. When a ferroelectric material is used in a device such as a ferroelectric memory, the polarization inversion barrier must be low (for example, about 100 kV/cm), and the actual applications of ferroelectric materials with a wurtzite structure have been limited.
前記のとおり、高い性能を有する非鉛強誘電体材料の多くは、酸素八面体からなるペロブスカイト型結晶構造及びその類似構造を有している。これらはこれまでに詳細に調べ尽くされており、新たなブレイクスルーのためには、酸素八面体を有しない結晶構造を有する強誘電体材料の発見が望まれている。
本願の発明者らは、図1に示すような、酸素八面体構造を有しない単純なウルツ鉱型結晶構造に着目した。図1(a)は、二元化合物MX(空間群P63mc)の六方晶ウルツ鉱構造を示している。同図(b)は、分極スイッチングメカニズムを示しており、P=+PSの強誘電状態、P=0の常誘電性(中間)状態、c軸に平行な電場を印加することによるMX4四面体の反転後のP=-PSの強誘電状態である。ここで、δは中間状態における位置に対するイオンの変位である。
そして、発明者らは、その強誘電材料としての可能性を第一原理計算により検討し、強誘電体としての必要特性である分極反転障壁エネルギーが、ZnOにおいて、代表的な強誘電体であるチタン酸鉛(PbTiO3)と同程度になることを突き止め、酸素八面体を有しない単純なウルツ鉱型結晶構造等での強誘電材料開発の可能性を原子レベルで明らかにした(非特許文献2、3参照)。しかしながら、強誘電体材料の電気分極を反転させるために必要な電界である抗電界がZnOでは非常に大きいため、実用材料として用いるにはさらに抗電界が低い材料を見つける必要があった。
As mentioned above, many of the high-performance non-lead ferroelectric materials have a perovskite-type crystal structure consisting of oxygen octahedra or a similar structure. These have been thoroughly investigated, and for a new breakthrough, it is desirable to discover a ferroelectric material with a crystal structure that does not have oxygen octahedra.
The present inventors focused on a simple wurtzite crystal structure without oxygen octahedra, as shown in Figure 1. Figure 1(a) shows the hexagonal wurtzite structure of the binary compound MX (space group P6 3 mc). Figure 1(b) shows the polarization switching mechanism, with a ferroelectric state of P = +
The inventors then investigated the possibility of using this material as a ferroelectric material by first-principles calculations, and found that the polarization reversal barrier energy, which is a necessary characteristic for a ferroelectric, in ZnO is comparable to that of lead titanate (PbTiO 3 ), a representative ferroelectric material, and clarified the possibility of developing ferroelectric materials at the atomic level with simple wurtzite crystal structures that do not have oxygen octahedra (see Non-Patent
強誘電体は、電界Eを印加することにより、2つ以上の対称性に関するバリアント間で切り替えることができる自発的な電気分極PSを持つ材料である。このような化合物は、通常、温度(又は圧力)の関数として、強誘電状態と常誘電状態に対応する極性(低対称)と非極性(高対称)相の間で変化する。ウルツ鉱型構造(P63mc)は中心対称ではなく、この結晶タイプの二元化合物は極性を有する(図1(a))。最近まで、ウルツ鉱型構造の結晶は、それらを構成する陽イオン中心の四面体を切り替えることが難しいため、非強誘電性であると考えられており、ウルツ鉱型結晶の分極と圧電性を調べる初期の理論計算では、四面体内の陽イオンの変位のみが考慮されていた。しかし、その後の観察により、陽イオン-陰イオン四面体の配向の反転によって強誘電性を示すウルツ鉱型結晶の可能性が検討された。発明者らは、Zn及びBeカルコゲン化物について、第一原理計算を使用して、陰イオンに対する陽イオンのc軸方向の相対的変位が準安定中心対称構造を生成することを示した。準安定中心対称構造は、図1(b)に示すように、常誘電体(空間群P63/mmc)であり、反対にある四面体配向の2つの極性構造の中間にある。この変位に必要なエネルギーが十分に低ければ、分極を切り替えることができるはずであり、それによって、四面体強誘電体としても知られる四面体を含む強誘電体材料を、従来のペロブスカイト材料の代替として開発可能であると推測した。 Ferroelectrics are materials with spontaneous electric polarization Ps that can be switched between two or more symmetry variants by applying an electric field E. Such compounds usually change between polar (low symmetry) and non-polar (high symmetry) phases corresponding to ferroelectric and paraelectric states as a function of temperature (or pressure). The wurtzite structure (P63mc ) is not centrosymmetric, and binary compounds of this crystal type are polar (Figure 1(a)). Until recently, crystals with the wurtzite structure were thought to be non-ferroelectric because of the difficulty in switching the cation-centered tetrahedra that compose them, and early theoretical calculations investigating the polarization and piezoelectricity of wurtzite crystals considered only the displacement of cations within the tetrahedra. Subsequent observations, however, have led to the possibility that wurtzite crystals may exhibit ferroelectricity by reversing the orientation of the cation-anion tetrahedra. The inventors have used first-principles calculations to show that for Zn and Be chalcogenides, the relative displacement of the cations with respect to the anions along the c-axis produces a metastable centrosymmetric structure that is paraelectric (space group P63 /mmc) and intermediate between two polar structures with opposite tetrahedral orientations, as shown in Figure 1(b). If the energy required for this displacement is low enough, it should be possible to switch the polarization, and so they speculated that ferroelectric materials containing tetrahedra, also known as tetrahedral ferroelectrics, could be developed as an alternative to conventional perovskite materials.
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、第一原理計算を用いる抗電界の低いウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法、及び抗電界の低いウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned current situation, and aims to provide a method for searching for a wurtzite crystal structure ferroelectric material with a low coercive electric field using first-principles calculations, and a wurtzite crystal structure ferroelectric material with a low coercive electric field.
本発明は、以下の通りである。
1.第一原理計算を用いて分極反転可能なウルツ鉱型結晶構造を有する強誘電体材料を探索することを特徴とするウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法。
2.第一原理計算として、平面波を基底関数とするvaspコード、castepコード、Quantum espressoコード及びpwscfコード、PHASEコード、STATE-SENRIコード、QMASコード及びABINITコードのうちの一つを用いる前記1.記載のウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法。
3.第一原理計算は、構造最適化計算を行う構造最適化計算ステップと、目的の組成物を抽出する抽出ステップと、を含み、
前記構造最適化計算ステップにおいて、空間群P63mc及び空間群P63/mmcにおけるエネルギーを決定し、
前記抽出ステップにおいて、空間群P63mcと空間群P63/mmcとのエネルギー差を分極反転障壁エネルギーとし、前記分極反転障壁エネルギーが0.22eV/f.u.以下の組成物を抽出する前記1.又は2.に記載のウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法。
4.前記構造最適化計算ステップにおける計算条件として、k点密度を0.5/(10-10m)以下とする前記3.記載のウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法。
5.前記構造最適化計算ステップにおける計算条件として、カットオフエネルギーを400eV以上とする前記3.又は4.のいずれかに記載のウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法。
6.前記構造最適化計算ステップにおける計算条件として、構造最適化打ち切りにおいて原子にかかる力を0.1eV/(10-10m)以下とする前記3.乃至5.のいずれかに記載のウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法。
7.CdO、MgO、AgCl、AgBr、AgI、CuCl及びCuBrのうちから選ばれるウルツ鉱型結晶構造を有する強誘電体材料であることを特徴とするウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料。
8.ウルツ鉱型結晶構造のab面を拡張することにより更に抗電界を低くした前記7.記載のウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料。
The present invention is as follows.
1. A method for searching for a wurtzite crystal structure ferroelectric material, the method comprising searching for a wurtzite crystal structure ferroelectric material capable of being polarized by using first-principles calculations.
2. The method for searching for a wurtzite crystal structure ferroelectric material according to 1 above, using one of the vasp code, castep code, Quantum espresso code, pwscf code, PHASE code, STATE-SENRI code, QMAS code and ABINIT code, with plane waves as basis functions, as the first-principles calculation.
3. The first-principles calculation includes a structural optimization calculation step of performing a structural optimization calculation and an extraction step of extracting a target composition,
In the structural optimization calculation step, energies in the space group P6 3 mc and the space group P6 3 /mmc are determined;
3. The method for searching for a wurtzite crystal structure ferroelectric material according to 1. or 2., wherein in the extraction step, an energy difference between the space group P63mc and the space group P63 /mmc is defined as a polarization inversion barrier energy, and a composition having the polarization inversion barrier energy of 0.22 eV/fu or less is extracted.
4. The method for searching for a wurtzite crystal structure ferroelectric material according to 3 above, wherein the calculation condition in the structural optimization calculation step is a k-point density of 0.5/(10 −10 m) or less.
5. The method for searching for a wurtzite crystal structure ferroelectric material according to either 3. or 4., wherein a cutoff energy is set to 400 eV or more as a calculation condition in the structural optimization calculation step.
6. The method for searching for a wurtzite crystal structure ferroelectric material according to any one of 3. to 5., wherein the force acting on atoms at the termination of the structural optimization is set to 0.1 eV/(10 −10 m) or less as a calculation condition in the structural optimization calculation step.
7. A ferroelectric material having a wurtzite crystal structure, characterized in that the ferroelectric material has a wurtzite crystal structure and is selected from the group consisting of CdO, MgO, AgCl, AgBr, AgI, CuCl and CuBr.
8. A ferroelectric material with a wurtzite crystal structure according to the above 7, in which the coercive electric field is further reduced by extending the ab plane of the wurtzite crystal structure.
本発明のウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法によれば、第一原理計算を用いて、分極反転可能なウルツ鉱型結晶構造を有する組成物であって抗電界が低いウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料を見出すことができる。
本発明のウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料は、分極反転障壁エネルギーの大きさが従来の代表的な強誘電性ペロブスカイトPbTiO3に近く、それに代わる抗電界が低い非鉛強誘電体材料として実用化が期待される。
また、前記ウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料にエピタキシャル歪を加えることにより分極反転障壁エネルギーを減少させることができ、エピタキシャル歪を持つ薄膜として合成することにより更に低い抗電界の強誘電体材料を実現することが期待される。
According to the method for searching for a wurtzite crystal structure ferroelectric material of the present invention, it is possible to find a wurtzite crystal structure ferroelectric material that is a composition having a wurtzite crystal structure capable of reversing polarization and has a low coercive electric field, by using first-principles calculations.
The wurtzite crystal structure ferroelectric material of the present invention has a polarization inversion barrier energy close to that of the conventional representative ferroelectric perovskite PbTiO3 , and is expected to be put to practical use as an alternative non-lead ferroelectric material with a low coercive field.
Furthermore, by adding epitaxial strain to the wurtzite crystal structure ferroelectric material, the barrier energy for polarization inversion can be reduced, and it is expected that a ferroelectric material with an even lower coercive field can be realized by synthesizing it as a thin film having epitaxial strain.
本発明について、本発明による典型的な実施形態の非限定的な例を挙げ、言及された複数の図面を参照しつつ以下の詳細な記述によって更に説明するが、同様の参照符号は図面のいくつかの図を通して同様の部品を示す。
以下、図を参照しながら、本発明を詳しく説明する。
ここで示される事項は例示的なもの及び本発明の実施形態を例示的に説明するためのものであり、本発明の原理と概念的な特徴とを最も有効に且つ難なく理解できる説明であると思われるものを提供する目的で述べたものである。この点で、本発明の根本的な理解のために必要である程度以上に本発明の構造的な詳細を示すことを意図してはおらず、図面と合わせた説明によって本発明の幾つかの形態が実際にどのように具現化されるかを当業者に明らかにするものである。
The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
The matters shown herein are illustrative and are intended to exemplify the embodiments of the present invention, and are described for the purpose of providing what is believed to be the most effective and easily understandable explanation of the principles and conceptual features of the present invention. In this respect, it is not intended to show structural details of the present invention beyond the extent necessary for a fundamental understanding of the present invention, and the description in conjunction with the drawings will make it clear to those skilled in the art how some forms of the present invention can be actually embodied.
本実施形態に係るウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法においては、第一原理計算及びマテリアルズ・インフォマティクスと呼ばれる理論計算手法を用いて、網羅的にウルツ型結晶構造をもつ新材料を探索した。 In the method for searching for ferroelectric materials with a wurtzite crystal structure according to this embodiment, a theoretical calculation method called first-principles calculations and materials informatics was used to comprehensively search for new materials with a wurtzite crystal structure.
これまでに、発明者らは四面体の分極反転障壁エネルギーを計算することにより、限られた数のウルツ鉱型構造化合物の抗電界を推定した(非特許文献2、3)。本発明においては、組成位相空間の探索を拡張して、より広い範囲の二元化合物を網羅し、低い抗電界を持つ新しい強誘電体を特定する。標準的又は非標準的(高温、高圧、ナノサイジング等)な条件下で、ウルツ鉱構造を有することが実験的に確認された化合物から探索を始めた。これらの化合物の多くは、国際結晶構造データベースに含まれているウルツ鉱型多形を持っている。具体的には、CuI、AgI、BeO、MgTe、MnO、MnS、ZnO、ZnS、ZnSe、CdS、CdSe、CdTe、AlN、GaN、InN、InSb、2H-SiC等である。ウルツ鉱型が詳細に報告されていない化合物(CuCl、CuBr、BeS、MgS、MgSe、MnSe、MnTe、ZnTe、AlP、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs等)については、同じ陽イオンを含む同一構造を使用し、適切なX元素を使用して、第一原理計算の開始構造を構築した。また、比較のために、いくつかの仮想的なウルツ鉱構造化合物(AgCl、AgBr、BeSe、BeTe、MgO、CdO等)を検討し、それらの初期構造を同様の方法で構築した。
Previously, the inventors estimated the coercive field of a limited number of wurtzite structure compounds by calculating the tetrahedral polarization reversal barrier energy (
本実施形態に係るウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法(1)は、第一原理計算(3)を用いて、分極反転可能なウルツ鉱型結晶構造を有する強誘電体材料であって分極反転障壁エネルギーが0.22eV/f.u.より低いウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料を探索することを特徴としており、結晶構造データベース(2)に含まれているデータを入力して第一原理計算を行う。その第一原理計算(3)は、構造最適化計算を行う構造最適化計算ステップ(32)と目的の組成物を抽出する抽出ステップ(34)とを含み、構造最適化計算ステップ(32)において、k点密度を0.5/(10-10m)以下とすること、カットオフエネルギーを400eV以上とすること、構造最適化打ち切りにおいて原子にかかる力を0.1eV/(10-10m)以下になるまで構造最適化すること、を条件とすることができる。そして、構造最適化計算ステップ(32)において、空間群P63mc及び空間群P63/mmcにおけるエネルギーを決定し、抽出ステップ(34)において、空間群P63mcと空間群P63/mmcとのエネルギー差を分極反転障壁エネルギーとして、その分極反転障壁エネルギーが0.22eV/f.u.以下の組成物を抽出するように構成することができる(図9参照)。
「f.u.」は式単位(formula unit)を表す。
The search method (1) for a wurtzite crystal structure ferroelectric material according to the present embodiment is characterized in that it searches for a wurtzite crystal structure ferroelectric material capable of being polarized and having a polarization reversible barrier energy of less than 0.22 eV/f.u. by using first-principles calculation (3), and performs first-principles calculation by inputting data contained in a crystal structure database (2). The first-principles calculation (3) includes a structural optimization calculation step (32) for performing a structural optimization calculation and an extraction step (34) for extracting a target composition, and the structural optimization calculation step (32) can have the following conditions: the k-point density is set to 0.5/( 10-10 m) or less, the cutoff energy is set to 400 eV or more, and the structural optimization is performed until the force acting on the atoms at the structural optimization termination is 0.1 eV/( 10-10 m) or less. Then, in the structural optimization calculation step (32), the energies in the space group P63mc and the space group P63 /mmc are determined, and in the extraction step (34), the energy difference between the space group P63mc and the space group P63 /mmc is set as the polarization inversion barrier energy, and a composition having a polarization inversion barrier energy of 0.22 eV/fu or less is extracted (see FIG. 9).
"fu" stands for formula unit.
本実施形態において、第一原理計算はVASP(Vienna Ab initio Simulation Package、参考:G. Kresse and J. Furthmuller, Phys. Rev. B 54, 11169 (1996))に実装されている密度汎関数理論(DFT)計算を使用して、それぞれの化合物を特徴付け、候補の四面体強誘電体としての適合性を評価している。第一原理計算としては、平面波を基底関数とするvaspコード、castepコード、Quantum espressoコード、pwscfコード、PHASEコード、STATE-SENRIコード、QMASコード、ABINITコード等を用いることができる。 In this embodiment, the first-principles calculations use density functional theory (DFT) calculations implemented in VASP (Vienna Ab initio Simulation Package, reference: G. Kresse and J. Furthmuller, Phys. Rev. B 54, 11169 (1996)) to characterize each compound and evaluate its suitability as a candidate tetrahedral ferroelectric. For the first-principles calculations, the vasp code, castep code, Quantum espresso code, pwscf code, PHASE code, STATE-SENRI code, QMAS code, ABINIT code, etc., which use plane waves as basis functions, can be used.
すべての計算は、交換相関項を処理するために、固体用に最適化された一般化勾配近似のPerdew-Burke-Ernzerhof形式(GGA-PBEsol)を使用して実行された(参考:J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996))。
平面波ベースのプロジェクター拡張波法(参考:P. E. Blochl, Phys. Rev. B 50, 17953 (1994))は、Be、N、O、C及びFに対しては2s及び2p電子、Mg、Al、SiP、S及びClに対しては3s及び3p電子、As、Se及びBrに対しては4s及び4p電子、In、Sb、Te及びIに対しては5s及び5p電子、価電子として扱われるMn、Cu及びZnに対しては3d及び4s電子で使用された。
All calculations were performed using the Perdew-Burke-Ernzerhof formulation of the generalized gradient approximation (GGA-PBE sol ) optimized for solids to treat the exchange-correlation terms (Reference: JP Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996)).
A plane-wave based projector augmented-wave method (reference: PE Blochl, Phys. Rev. B 50, 17953 (1994)) was used with 2s and 2p electrons for Be, N, O, C and F, 3s and 3p electrons for Mg, Al, SiP, S and Cl, 4s and 4p electrons for As, Se and Br, 5s and 5p electrons for In, Sb, Te and I, and 3d and 4s electrons for Mn, Cu and Zn treated as valence electrons.
550eVの平面波カットオフエネルギーがすべての場合に使用された。800eVまでのカットオフエネルギーに関する総エネルギーの収束は、0.015eV/f.u.よりも優れていた。 A plane wave cutoff energy of 550 eV was used in all cases. Convergence of the total energy for cutoff energies up to 800 eV was better than 0.015 eV/fu.
本実施形態では、構造最適化計算ステップ(32)において、カットオフエネルギーを400eV以上に設定する必要がある。カットオフエネルギーを400eV以上とするのは、十分な計算精度(エネルギー、力、構造)を確保するためである。 In this embodiment, in the structural optimization calculation step (32), the cutoff energy must be set to 400 eV or more. The cutoff energy is set to 400 eV or more in order to ensure sufficient calculation accuracy (energy, force, structure).
数値積分は、4原子ウルツ鉱単位格子の最初のブリルアンゾーン内でMonkhorst-Packスキーム(参考:H. J. Monkhorst and J. D. Pack, Phys. Rev. B 13, 5188 (1976))に従って生成されたΓ中心の0.25/(10-10m)間隔のk点メッシュを使用して実行された。 Numerical integration was performed using a Γ-centered k-point mesh with 0.25/(10−10 m) spacing generated according to the Monkhorst-Pack scheme (see H. J. Monkhorst and J. D. Pack, Phys. Rev. B 13, 5188 ( 1976 )) within the first Brillouin zone of a 4-atom wurtzite unit cell.
本実施形態では、構造最適化計算ステップ(32)において、k点密度を0.5/(10-10m)以下に設定する。これを超えるk点密度では十分な計算精度(エネルギー、力、構造)を確保できないからである。 In this embodiment, in the structural optimization calculation step (32), the k-point density is set to 0.5/(10 −10 m) or less, because a k-point density exceeding this value cannot ensure sufficient calculation accuracy (energy, force, structure).
本実施形態では、構造最適化計算ステップ(32)において、構造最適化打ち切りにおいて原子にかかる力を0.1eV/(10-10m)以下にする。これを超えると十分な計算精度(エネルギー、力、構造)を確保できないからである。 In this embodiment, in the structural optimization calculation step (32), the force applied to the atoms at the structural optimization termination is set to 0.1 eV/(10 −10 m) or less, because if this is exceeded, sufficient calculation accuracy (energy, force, structure) cannot be ensured.
GGA法を使用して遷移金属含有化合物の電子バンドギャップの既知の過小評価を調整するために、Mn含有化合物の場合にUeff=3.6eVのHubbard Uタームが追加された(参考:S. L. Dudarev, G. A. Botton, S. Y. Savrasov, C. J. Humphreys, and A. P. Sutton, Phys. Rev. B 57, 1505-1509 (1998).、F. Zhou, M. Cococcioni, C. A. Marianetti, D. Morgan, and G. Ceder, Phys. Rev. B 70, 235121 (2004))。 To reconcile known underestimations of the electronic band gaps of transition metal-containing compounds using the GGA method, a Hubbard U-term of Ueff = 3.6 eV was added for Mn-containing compounds (see SL Dudarev, GA Botton, SY Savrasov, CJ Humphreys, and AP Sutton, Phys. Rev. B 57, 1505-1509 (1998); F. Zhou, M. Cococcioni, CA Marianetti, D. Morgan, and G. Ceder, Phys. Rev. B 70, 235121 (2004)).
各ユニットセルの原子位置と格子定数は、残留力が0.005eV/(10-10m)より小さくなるまで緩和された。生まれた有効電荷テンソルは、密度関数摂動理論内でベリー位相アプローチを使用して計算された(参考:X. Wu, D. Vanderbilt, and D. R. Hamann, Phys. Rev. B 72, 035105 (2005))。自発分極PSは、常誘電体構造と強誘電構造の間の分極の差として計算された。分極Pは、原子の位置に対する周期的な変位δによって導かれる。非極性中心対称(P63/mmc)構造では、式(1)に従って、c方向の陽イオンの生成有効電荷Z*
33と、ユニットセルの体積Vに関連している。
図10及び図11は、本研究で調べた二元化合物の計算された格子定数、バンドギャップ(Ebg)、生成有効電荷(Z* 33)及び自発分極(PS)を示す表である。同表中、括弧内の数値は、公知の実験的な格子定数とそれを基に計算された偏差である。各化合物の計算された格子定数、バンドギャップ(Eg)、Z33及びPSは、同表の公知の実験データと比較される。計算された格子定数は実験データをよく再現し、通常のDFTエラーの範囲内であり、強誘電性変換をモデル化するためのPBEsolポテンシャルの使用が検証される。 10 and 11 are tables showing the calculated lattice constants, band gaps (E bg ), generated effective charges (Z * 33 ) and spontaneous polarizations (P S ) of the binary compounds investigated in this study. In the tables, the numbers in parentheses are the known experimental lattice constants and the calculated deviations therefrom. The calculated lattice constants, band gaps (E g ), Z* 33 and P S of each compound are compared to the known experimental data in the tables. The calculated lattice constants reproduce the experimental data well and are within the usual DFT error range, validating the use of the PBE sol potential to model the ferroelectric transformation.
強誘電体材料は、低い抗電界に加えて、電子的に絶縁性である必要がある。即ち、十分に広いバンドギャップを持っている必要がある。GGA汎関数を使用したDFT計算は、バンドギャップを大幅に過小評価することが知られているが、MnOを除くすべての化合物はゼロではないEg値を示したため、極性形式において電子絶縁体である必要がある。バンドギャップがないため、Hubbard Uの項が含まれていても、MnOはそれ以上考慮されなかった。また、AlAs、AlSb、GaP、GaAs、GaSb、InP、InAs及びInSbは、それぞれ非極性(遷移)状態の金属バンド構造を持つと計算されたため、これらの化合物も強誘電体材料としての使用には不適切であるとみなされた。 In addition to a low coercive field, ferroelectric materials must be electronically insulating, i.e., have a sufficiently wide band gap. Although DFT calculations using the GGA functional are known to significantly underestimate the band gap, all compounds except MnO exhibited nonzero E g values and therefore must be electronic insulators in the polar regime. Due to the lack of a band gap, MnO was not considered further, even though the Hubbard U term was included. Also, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs and InSb were calculated to have metallic band structures in their respective nonpolar (transition) states, and therefore these compounds were also deemed unsuitable for use as ferroelectric materials.
典型的なペロブスカイト強誘電性化合物とは異なり、各イオンの計算されたZ* 33値は、ほとんどの場合、公称電荷からわずかにずれている。すべての化合物は比較的大きなPS値を示し、3価の化合物が最大で(例えば、GaNの場合は1.24C/m2、AlNの場合は1.21C/m2)、生成有効電荷の大きさは約3だった。対照的に、1価の化合物は、比較的小さな分極(たとえば、CuIの場合は0.27C/m2、AgIの場合は0.27C/m2)で、陽イオンと陰イオンの生成有効電荷はそれぞれ約+1と-1と計算された。それにもかかわらず、これらの1価化合物のPS値は、中心対称位置からの陽イオンと陰イオンの大きな変位の結果として、ペロブスカイトBaTiO3のPS値(0.25C/m2)と大きさが近いことがわかった。 Unlike typical perovskite ferroelectric compounds, the calculated Z * 33 values of each ion deviate slightly from the nominal charge in most cases. All compounds exhibit relatively large P S values, with the trivalent compounds being the largest (e.g., 1.24 C/m 2 for GaN and 1.21 C/m 2 for AlN), resulting in an effective charge magnitude of about 3. In contrast, the monovalent compounds exhibit relatively small polarizations (e.g., 0.27 C/m 2 for CuI and 0.27 C/m 2 for AgI), resulting in effective charges of about +1 and -1 for the cations and anions, respectively. Nevertheless, the P S values of these monovalent compounds were found to be close in magnitude to that of the perovskite BaTiO 3 (0.25 C/m 2 ), as a result of the large displacement of the cations and anions from their centrosymmetric positions.
強誘電性結晶の抗電界は、固定変位法を使用して、極性バリアント間のさまざまな状態の結晶構造のDFTエネルギーから分極反転障壁エネルギーESWの大きさを計算することによって評価できる。
図2は、一価ハロゲン化物における正規化された強誘電性陽イオン変位(横軸)に対する相対的なポテンシャル面(縦軸)の計算値を示している。同図(a)はCuX、(b)はAgXであり、X=Cl、Br、Iの場合である。
図3及び図4は、前図同様に、二価カルコゲン化物における強誘電性陽イオン変位に対するポテンシャル面の計算値を示している。図3(a)はBeX、(b)はMgX、(c)はMnX、図4(d)はZnX、(e)はCdXであり、X=O、S、Se、Teの場合である。MnOは電子伝導性であるため除外されている。
図5及び図6は、前図同様に、三価ニクトゲン及び炭化ケイ素における強誘電性陽イオン変位に対するポテンシャル面の計算値を示している。図5(a)はAlX、(b)はGaX、図6(c)はInXであり、X=N、P、As、Sbの場合である。また、同図(d)は2H-SiCの場合である。
The coercive field of a ferroelectric crystal can be evaluated by calculating the magnitude of the polarization reversal barrier energy E SW from the DFT energies of the crystal structure in various states among the polar variants using the fixed displacement method.
Figure 2 shows the calculated relative potential surfaces (vertical axis) versus normalized ferroelectric cation displacements (horizontal axis) for monovalent halides (a) CuX and (b) AgX, where X = Cl, Br, and I.
3 and 4 show the calculated potential surfaces for the ferroelectric cation displacement in divalent chalcogenides, as in the previous figures. Fig. 3(a) shows BeX, (b) shows MgX, (c) shows MnX, (d) shows ZnX, and (e) shows CdX, where X = O, S, Se, and Te. MnO is excluded because it is electronically conductive.
5 and 6 show the calculated potential surfaces for the ferroelectric cation displacement in trivalent pnictogens and silicon carbide, as in the previous figures. Fig. 5(a) shows AlX, (b) shows GaX, and Fig. 6(c) shows InX, where X = N, P, As, and Sb, respectively, and Fig. 6(d) shows 2H-SiC.
計算された電位面は、上記のとおり、一価化合物(Cu及びAgハロゲン化物)の場合は図2に、二価化合物(Be、Mg、Mn、Zn及びCdカルコゲン化物)の場合は図3及び図4にプロットされている。また、3価化合物(Al、Ga、及びIn ニクトゲン化物、及び2H-SiC)の場合は図5及び図6にプロットされている(完全を期すために、電子伝導性の強誘電相を持つ化合物の結果が含まれている)。
計算結果は、すべての化合物が二重井戸ポテンシャルを示し、最大値が2つの極性バリアントの最小値間の中間の非極性状態に対応することを示している。すべての上記化合物の中で、一価化合物(CuおよびAgハロゲン化物)は、最も低い分極反転障壁エネルギーを持っており、CuClでは0.17eV/f.u.、CuBrでは0.21eV/f.u.、CuIでは0.29eV/f.u.、AgClでは0.11eV/f.u.、AgBrでは0.15eV/f.u、AgIでは0.22eV/f.u.である。これらの障壁は、強誘電性ペロブスカイトPbTiO3について知られている障壁0.2eV/f.u.(参考:R. E. Cohen, Nature (London) 358, 136 (1992))に近い大きさである。すべての場合において、ポテンシャル障壁は、陰イオンの原子番号(したがってイオン半径)の減少とともに減少する。
The calculated potential surfaces are plotted in Figure 2 for monovalent compounds (Cu and Ag halides), in Figures 3 and 4 for divalent compounds (Be, Mg, Mn, Zn and Cd chalcogenides), as described above, and in Figures 5 and 6 for trivalent compounds (Al, Ga and In pnictogenides, and 2H-SiC) (for completeness, results for compounds with an electronically conducting ferroelectric phase are included).
The calculations show that all compounds exhibit double well potentials, with maxima corresponding to non-polar states intermediate between the minima of the two polar variants. Among all the above compounds, the monovalent compounds (Cu and Ag halides) have the lowest polarization reversal barrier energies: 0.17 eV/fu for CuCl, 0.21 eV/fu for CuBr, 0.29 eV/fu for CuI, 0.11 eV/fu for AgCl, 0.15 eV/fu for AgBr, and 0.22 eV/fu for AgI. These barriers are close in magnitude to the known barrier of 0.2 eV/fu for the ferroelectric perovskite PbTiO3 (see RE Cohen, Nature (London) 358, 136 (1992)). In all cases, the potential barrier decreases with decreasing atomic number (and therefore ionic radius) of the anion.
図7は、公知の6配位でシャノンのイオン半径(参考:R. D. Shannon, Acta Cryst. A 32, 751 (1976).)を使用した、陰イオン/陽イオン半径比χ(横軸)に対する分極反転障壁エネルギーESW(縦軸)を示している。イオン半径が4配位についてのみ報告されている陰イオンN3-及びP3-の場合、半径は、それぞれ6及び8配位を持つウルツ鉱および岩塩構造のマーデルング定数の比率を使用して推定された(参考:R. D. Shannon, Acta Cryst. A 32, 751 (1976))。
本図では、標準的な条件下でウルツ鉱構造を持つ化合物は、太字と箱形でラベル付けされている。また、基底状態がせん亜鉛鉱型構造である化合物はイタリック体で、ニッケリン(NiAs)構造を持つ化合物は中括弧で、岩塩構造を持つ化合物は通常書体でラベル付けされている。非平衡条件下においてウルツ鉱型で調製できる化合物には下線が引かれている。例えば、ニッケリンタイプの化合物であるMnSeとMnTeはどちらも、ナノワイヤ、ナノリボン又はナノ粒子の形で調製した場合、ウルツ鉱構造で安定化されている(参考:J. E. Huheey, E. A. Keiter, and R. L. Keiter, "Inorganic Chemistry," 4th ed., Harper Collins, New York, USA, 1993、Y. Jiang, X.-M. Meng, W.-C. Yiu, J. Liu, J.-X. Ding, C.-S. Lee, and S.-T. Lee, J. Phys. Chem. B, 108, 2784 (2004))。
ここで示されている結果は、仮想及び実際のウルツ鉱のいずれも、幅広い化学組成にわたるχとESWの比較的単純な関係で、χが増加するとESWは単調に増加する。直線性からの逸脱は、特に基底状態のウルツ鉱化合物の通常の範囲(大まかに1.9≦χ≦3.1)を超える高いχ値で、化学結合の性質(イオン結合から共有結合へ)の違いによる可能性がある。
7 shows the polarization reversal barrier energy E SW (vertical axis) versus anion/cation radius ratio χ (horizontal axis) using the known Shannon ionic radii for six coordinations (reference: RD Shannon, Acta Cryst. A 32, 751 (1976)). For the anions N 3- and P 3- , whose ionic radii have only been reported for four coordinations, the radii were estimated using the ratio of the Madelung constants for the wurtzite and rocksalt structures with six and eight coordinations, respectively (reference: RD Shannon, Acta Cryst. A 32, 751 (1976)).
In this diagram, compounds that have the wurtzite structure under standard conditions are labeled in bold and boxed text, compounds whose ground state has the zincblende structure are labeled in italics, compounds with the nickelate (NiAs) structure are labeled in curly brackets, and compounds with the rocksalt structure are labeled in normal typeface. Compounds that can be prepared in the wurtzite structure under non-equilibrium conditions are underlined. For example, both nickeline-type compounds MnSe and MnTe are stabilized in the wurtzite structure when prepared in the form of nanowires, nanoribbons, or nanoparticles (see JE Huheey, EA Keiter, and RL Keiter, "Inorganic Chemistry," 4th ed., Harper Collins, New York, USA, 1993; Y. Jiang, X.-M. Meng, W.-C. Yiu, J. Liu, J.-X. Ding, C.-S. Lee, and S.-T. Lee, J. Phys. Chem. B, 108, 2784 (2004)).
The results presented here show a relatively simple relationship between χ and E SW over a wide range of chemical compositions for both hypothetical and real wurtzite, with E SW increasing monotonically with increasing χ. Deviations from linearity may be due to differences in the nature of the chemical bonding (ionic to covalent), especially at higher χ values beyond the usual range for ground-state wurtzite compounds (roughly 1.9≦χ≦3.1).
ESWとχの間の線形関係は次のように考えられる。DFTから導出されたESWは、極性構造(P63mc)と非極性構造(P63/mmc)の間のエネルギー差である。χが減少すると、6配位した構造(例えば岩塩構造)はより安定するが、ウルツ鉱構造などの4配位した構造は安定性が低下するため、極性構造(P63mc)と非極性状態(P63/mmc)のエネルギー差が減少する。つまり、非極性状態がエネルギー的に有利になる。χ≦1.9の場合、AgCl、AgBr、CdO、MgOで見られるように、岩塩(Fm3m)構造が最も安定している。位相安定性の面からは、MnX化合物は他の化合物と最も異なる。これは、Mn2+のd軌道電子に関連して著しく異なる結合状態の結果であると考えられる。MgSも異常であるように見え、室温で岩塩構造を持っているが、薄膜の形でウルツ鉱構造をとることが示されている(参考:S. Siol, Y. Han, J. Mangum, P. Schulz, A. M. Holder, T. R. Klein, M. F. A. M. van Hest, B. Gormand, and A. Zakutayev J. Mater. Chem. C, 6, 6297 (2018))。分極反転障壁エネルギーが低いという点で、CuClはウルツ鉱ゾーン内にある。実験的にはせん亜鉛鉱型構造(F43m)であると報告されているが、約400℃でウルツ鉱に変化し(参考:Y. H. Lai, Q. L. He, W. Y. Cheung, S. K. Lok, K. S. Wong, S. K. Ho, K. W. Tam, and I. K. Sou, Appl. Phys. Lett. 102, 171104 (2013))、適切な合成条件下で調製された場合、四面体強誘電体として適している。DFT計算によると、ウルツ鉱型CuClとせん亜鉛鉱型CuClのエネルギー差はわずか1.4meV/f.u.である。対照的に、よく知られている岩塩構造の化合物AgClの場合、χAgCl=1.6であり、ウルツ鉱領域から外れる。ウルツ鉱型で安定化するのは非常に難しいと思われる。これは、CuClの代替形態と比較して、岩塩AgClとウルツ鉱AgClの間の計算されたエネルギー差が大きいこと(29meV/f.u.)とも一致している。 The linear relationship between E SW and χ can be considered as follows: E SW derived from DFT is the energy difference between the polar (P6 3 mc) and non-polar (P6 3 /mmc) structures. As χ decreases, 6-coordinate structures (e.g., rock salt) become more stable, while 4-coordinate structures such as wurtzite become less stable, thus decreasing the energy difference between the polar (P6 3 mc) and non-polar (P6 3 /mmc) structures. In other words, the non-polar state becomes energetically favorable. For χ≦1.9, the rock salt (Fm3m) structure is the most stable, as seen in AgCl, AgBr, CdO, and MgO. In terms of topological stability, MnX compounds are most different from the other compounds. This is believed to be a result of the significantly different bonding states associated with the d-orbital electrons of Mn 2+ . MgS also appears to be unusual, having a rock-salt structure at room temperature, but has been shown to adopt the wurtzite structure in thin film form (see S. Siol, Y. Han, J. Mangum, P. Schulz, AM Holder, TR Klein, MFAM van Hest, B. Gormand, and A. Zakutayev J. Mater. Chem. C, 6, 6297 (2018)). CuCl is within the wurtzite zone in that it has a low polarization reversal barrier energy. It has been reported experimentally to have a zinc-blende structure (F43m), but transforms to wurtzite at about 400 °C (see YH Lai, QL He, WY Cheung, SK Lok, KS Wong, SK Ho, KW Tam, and IK Sou, Appl. Phys. Lett. 102, 171104 (2013)), making it a suitable tetrahedral ferroelectric when prepared under suitable synthesis conditions. According to DFT calculations, the energy difference between wurtzite and zincblende CuCl is only 1.4 meV/fu. In contrast, for the well-known rock-salt compound AgCl, χ AgCl = 1.6, which falls outside the wurtzite region. It appears to be very difficult to stabilize in the wurtzite form. This is also consistent with the larger calculated energy difference (29 meV/fu) between rock-salt and wurtzite AgCl compared to alternative forms of CuCl.
既に発明者らが論じたように(非特許文献3参照)、分極反転障壁エネルギーを下げる効果的な方法の1つは、エピタキシャル歪を適用して基底面の結晶を膨張させることである。これは、本発明において調べたすべての化合物にも当てはまることがわかった。この例として、図8は、ウルツ鉱構造の(a)AgCl、(b)CuCl、(c)CuBrについて、分極反転障壁エネルギーに対するabエピタキシャル歪(%)の影響を示している。5%のエピタキシャル歪を適用すると、CuClでは分極反転障壁エネルギーが0.17から0.04eV/f.u.に減少する。CuBrでは分極反転障壁エネルギーが0.21から0.08eV/f.u.に減少する。また、AgClでは分極反転障壁エネルギーが0.22から0.09eV/f.u.に減少することがわかる。これらの低い分極反転障壁エネルギーは、従来のペロブスカイト強誘電体の分極反転障壁エネルギーと同様である。例えば、BaTiO3の場合、0.02eV/f.u.である(参考:Y. M. Rumyantsev, F. A. Kuznetsov, and S. A. Stroitelve, Kristallografiya 10, 263 (1965))。したがって、これらの化合物の歪んだ薄膜では、低い抗電界(100kV/cm未満)を実現できるものと考えられる。基板については、六方晶のScAlMgO4は、面内(0001)の格子定数が非常に小さく、ウルツ鉱型構造のZnO薄膜のヘテロエピタキシャル成長の基体としてよく使用されるため、有望な候補の1つである(参考:U. Ozgur, Ya. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M. A. Reshchikov, S. Dogan, V. Avrutin, S.-J. Cho, and H. Morkoc, J. Appl. Phys. 98, 041301 (2005))。ScAlMgO4は、多種多様な同価陽イオン(例えば、Sc3+の場合はY3+又はIn3+、Al3+の場合はGa3+又はFe3+、Mg2+の場合はZn2+、Mn2+、Co2+又はCu2+)で置き換えることができ、薄膜に適切なエピタキシャル歪を誘発するように高精度に基板の格子定数を調整できるものと考えられる。 As already discussed by the inventors (see Non-Patent Document 3), one of the effective ways to lower the polarization barrier energy is to apply epitaxial strain to expand the crystal of the basal plane. This was found to be true for all the compounds investigated in this invention. As an example, FIG. 8 shows the effect of ab epitaxial strain (%) on the polarization barrier energy for (a) AgCl, (b) CuCl, and (c) CuBr with the wurtzite structure. When applying 5% epitaxial strain, the polarization barrier energy decreases from 0.17 to 0.04 eV/fu for CuCl, the polarization barrier energy decreases from 0.21 to 0.08 eV/fu for CuBr, and the polarization barrier energy decreases from 0.22 to 0.09 eV/fu for AgCl. These low polarization barrier energies are similar to those of conventional perovskite ferroelectrics, e.g., 0.02 eV/fu for BaTiO3 (see YM Rumyantsev, FA Kuznetsov, and SA Stroitelve, Kristallografiya 10, 263 (1965)). Therefore, it is expected that low coercive fields (less than 100 kV/cm) can be realized in strained thin films of these compounds. Regarding the substrate, hexagonal ScAlMgO4 is one of the promising candidates because it has a very small in-plane (0001) lattice constant and is often used as a substrate for heteroepitaxial growth of ZnO thin films with the wurtzite structure (see U. Ozgur, Ya. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, MA Reshchikov, S. Dogan, V. Avrutin, S.-J. Cho, and H. Morkoc, J. Appl. Phys. 98, 041301 (2005)). It is believed that ScAlMgO4 can be substituted with a wide variety of isovalent cations (e.g., Y3 + or In3 + for Sc3 + , Ga3 + or Fe3 + for Al3 + , and Zn2 + , Mn2 + , Co2 + or Cu2 + for Mg2 +) to precisely tune the lattice constant of the substrate to induce the appropriate epitaxial strain in the thin film.
上記より、本実施形態では、第一原理計算(3)において、空間群P63mc及び空間群P63/mmcにてエネルギーを決定し、そのエネルギー差が0.22eV/f.u.以下の組成物を抽出するように構成している。これによって、低い抗電界のウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料として、CuCl、CuBr、AgI、CdO、MgO、AgCl、AgBr等を抽出することができる。
また、本実施形態において、ウルツ鉱型結晶構造のab面を拡張することにより、更に抗電界を低くすることができる。
From the above, in this embodiment, in the first-principles calculation (3), the energy is determined in the space group P63mc and the space group P63 /mmc, and a composition with an energy difference of 0.22 eV/fu or less is extracted. This makes it possible to extract CuCl, CuBr, AgI, CdO, MgO, AgCl, AgBr, etc. as wurtzite crystal structure ferroelectric materials with low coercive electric field.
In addition, in this embodiment, the coercive electric field can be further reduced by expanding the ab plane of the wurtzite crystal structure.
要約すると、第一原理計算法を使用して、新しい四面体強誘電体、特にウルツ鉱型構造と低抗電界を持つものを探すために、二元化合物を体系的に調査した。この結果、3つの主要な結論を引き出すことができる。
(1)調べたウルツ鉱構造の二元化合物のうち、見つかった2つの最低の分極反転障壁エネルギーは、AgClで0.11eV/f.u、AgBrで0.15eV/f.uであったが、これらの化合物は両方とも岩塩構造で非常に安定している。3番目に低いのはCuClの0.17eV/f.uであり、CuClでは、通常、ウルツ鉱構造よりもわずかに安定している閃亜鉛鉱型構造を持っている。この分極反転障壁エネルギーは、強誘電性ペロブスカイトPbTiO3のそれと大きさが類似しており、ウルツ鉱型で調製した場合、CuClの抗電界が低いことを示唆している。また、ウルツ鉱構造のAgI及びCuBrは、分極反転障壁エネルギーが0.22eV/f.u以下であり、有望な四面体強誘電体であると考えられる。
In summary, using first-principles calculations, we have systematically investigated binary compounds in search of new tetrahedral ferroelectrics, in particular those with wurtzite structures and low coercive fields, and three main conclusions can be drawn from this.
(1) Of the wurtzite binary compounds examined, the two lowest polarization barrier energies found were 0.11 eV/fu for AgCl and 0.15 eV/fu for AgBr, both of which have rock salt structures and are very stable. The third lowest was 0.17 eV/fu for CuCl, which typically has a zinc-blende structure that is slightly more stable than the wurtzite structure. This polarization barrier energy is similar in magnitude to that of the ferroelectric perovskite PbTiO3 , suggesting a low coercive field for CuCl when prepared in the wurtzite structure. The wurtzite AgI and CuBr also have polarization barrier energies below 0.22 eV/fu and are considered promising tetrahedral ferroelectrics.
(2)分極反転障壁エネルギーは、陰イオン-陽イオン半径比(ranion/rcation)の減少とともに減少する。これは、陰イオンが小さくなり、陽イオンが大きくなるにつれて、陽イオン-陰イオン四面体の安定性が低下し、極性バリアント(P63mc対称)と非極性状態(P63/mmc対称)の間のエネルギー差が減少することに関連している。 (2) The polarization reversal barrier energy decreases with decreasing anion-cation radius ratio (r anion /r cation ), which is related to the decreased stability of the cation-anion tetrahedron as anions become smaller and cations become larger, decreasing the energy difference between the polar variant (P6 3 mc symmetry) and the nonpolar state (P6 3 /mmc symmetry).
(3)(0001)面にエピタキシャル引張歪を加えると、分極反転障壁エネルギーを下げるのに効果的である。ウルツ鉱構造のCuClでは、(0001)面と平行に5%結晶を拡張した後、ポテンシャル障壁が0.17から0.04eV/f.uに減少した。したがって、この化合物を数%のエピタキシャル歪を持つ薄膜として合成することにより、低い抗電界(100kV/cm未満)を実現できるものと考えられる。 (3) Applying epitaxial tensile strain to the (0001) plane is effective in lowering the polarization reversal barrier energy. In wurtzite CuCl, the potential barrier decreased from 0.17 to 0.04 eV/fu after expanding the crystal by 5% parallel to the (0001) plane. Therefore, it is believed that a low coercive field (less than 100 kV/cm) can be achieved by synthesizing this compound as a thin film with a few percent epitaxial strain.
尚、本発明においては、以上に示した実施形態に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した態様とすることができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made within the scope of the present invention depending on the purpose and application.
本発明の探索方法により、分極反転障壁エネルギーが低く且つ抗電界が極めて低いウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料を見出すことができる。このような新材料により、高性能な非鉛強誘電体材料の更なる開発が促進され、不揮発メモリ等の実用デバイスに適用可能となることが期待される。 The search method of the present invention makes it possible to discover ferroelectric materials with a wurtzite crystal structure that have low polarization reversal barrier energy and extremely low coercive electric field. It is expected that such new materials will promote the further development of high-performance lead-free ferroelectric materials, making them applicable to practical devices such as non-volatile memories.
1:ウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法、2:結晶構造データベース、3:第一原理計算、32:構造最適化計算ステップ、34:抽出ステップ。 1: Search method for wurtzite crystal structure ferroelectric materials, 2: Crystal structure database, 3: First-principles calculation, 32: Structure optimization calculation step, 34: Extraction step.
Claims (3)
第一原理計算は、前記探索の候補となる既知のウルツ鉱型結晶構造を有する二元化合物の構造最適化計算を行う構造最適化計算ステップと、前記構造最適化計算ステップの結果から前記候補を目的の組成物として抽出するかを決定する抽出ステップと、を含み、
前記構造最適化計算ステップにおいて、前記構造最適化計算として前記候補の空間群P63mc及び空間群P63/mmcにおけるエネルギーを、VASPコードの密度汎関数理論計算により決定し、
前記構造最適化計算ステップにおける計算条件として、k点密度を0.5/(10 -10 m)以下とし、構造最適化打ち切りにおける原子にかかる力を0.1eV/(10 -10 m)以下とし、且つカットオフエネルギーを400eV以上とし、
前記抽出ステップにおいて、空間群P6 3 mcの前記エネルギーと空間群P6 3 /mmcとの前記エネルギーの差を分極反転障壁エネルギーとし、前記分極反転障壁エネルギーが0.22eV/f.u.以下の前記候補を前記組成物として抽出することを特徴とするウルツ鉱型結晶構造強誘電体材料の探索方法。 A method for searching for a wurtzite crystal structure ferroelectric material using first-principles calculations to search for a ferroelectric material having a wurtzite crystal structure capable of being polarized, comprising the steps of:
The first-principles calculation includes a structural optimization calculation step of performing a structural optimization calculation on a binary compound having a known wurtzite crystal structure, which is a candidate for the search, and an extraction step of determining whether to extract the candidate as a target composition based on a result of the structural optimization calculation step,
In the structural optimization calculation step, energies in the space group P6 3 mc and the space group P6 3 /mmc of the candidate for the structural optimization calculation are determined by density functional theory calculation using a VASP code ;
As calculation conditions in the structural optimization calculation step, the k-point density is set to 0.5/(10 −10 m) or less, the force applied to the atoms at the structural optimization cutoff is set to 0.1 eV/(10 −10 m) or less, and the cutoff energy is set to 400 eV or more;
a difference between the energy of the space group P63mc and the energy of the space group P63 / mmc being taken as a polarization inversion barrier energy, and the candidate having the polarization inversion barrier energy of 0.22 eV/fu or less is extracted as the composition in the extraction step .
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|---|---|---|---|---|
| CN116597914B (en) * | 2023-05-08 | 2025-11-11 | 杭州市北京航空航天大学国际创新研究院(北京航空航天大学国际创新学院) | Universal method for realizing ordered polarization in two-dimensional silicon-oxygen compound |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014207442A (en) | 2013-03-19 | 2014-10-30 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Oxide semiconductor film and process of manufacturing the same |
| US20160288166A1 (en) | 2013-11-21 | 2016-10-06 | Thunder Bay Regional Institute | Methods of driving polarization inversion in ferroelectric materials and devices |
| US20190013458A1 (en) | 2017-07-07 | 2019-01-10 | Skyworks Solutions, Inc. | Substituted aluminum nitride for improved acoustic wave filters |
| WO2020031449A1 (en) | 2018-08-08 | 2020-02-13 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Optical device and photoelectric conversion apparatus |
| US20200071181A1 (en) | 2018-09-05 | 2020-03-05 | University Of South Carolina | Polar Oxysulfide for Nonlinear Optical Applications |
-
2021
- 2021-04-19 JP JP2021070709A patent/JP7696748B2/en active Active
Patent Citations (5)
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| JP2014207442A (en) | 2013-03-19 | 2014-10-30 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Oxide semiconductor film and process of manufacturing the same |
| US20160288166A1 (en) | 2013-11-21 | 2016-10-06 | Thunder Bay Regional Institute | Methods of driving polarization inversion in ferroelectric materials and devices |
| US20190013458A1 (en) | 2017-07-07 | 2019-01-10 | Skyworks Solutions, Inc. | Substituted aluminum nitride for improved acoustic wave filters |
| WO2020031449A1 (en) | 2018-08-08 | 2020-02-13 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Optical device and photoelectric conversion apparatus |
| US20200071181A1 (en) | 2018-09-05 | 2020-03-05 | University Of South Carolina | Polar Oxysulfide for Nonlinear Optical Applications |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 森分 博紀 外1名,強誘電体/誘電体研究への第一原理計算の展開,まてりあ,日本,2020年02月,Vol.59, No.2,pp.78-83 |
| 森分 博紀,機能性セラミックス材料研究への第一原理計算の活用,粉体および粉末冶金,日本,2020年09月16日,Vol.67, No.9,pp.493-498 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022165348A (en) | 2022-10-31 |
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