A first-principles study on structural stability and magnetoelectric coupling of two-dimensional BaTiO3 ultrathin film with Cr and Cu substituting Ti site

材料科学 联轴节(管道) 结构稳定性 凝聚态物理 多铁性 工程物理 结晶学 冶金 光电子学 铁电性 电介质 结构工程 物理 工程类 化学
作者
Haigen Gao,Bing Wang
出处
期刊:APL Materials [American Institute of Physics]
卷期号:12 (9) 被引量:123
标识
DOI:10.1063/5.0223008
摘要

A study on Jahn–Teller distortion reveals that the configuration with Ti-substitution is more stable than that in the case of Ba-replacement. However, magnetoelectric coupling is weak as no spontaneous polarization is formed in the doped unit cell. Taking the atomic radius, low price, and electronegativity into account, Cu was selected to replace Ti together with Cr. Formation energy and phonon spectrum show structural stability. The spontaneous polarization was calculated to be 0.110, 0.114, and 0.247 and 8.078, 0.288, and 0.255 μC/cm2, respectively, in the Cr- and Cu-doped unit cell, corresponding to the directions [100], [010], and [001]. With the application of electric fields, the total magnetic moment was generally enhanced, which resulted in a strong magnetoelectric coupling. In addition, the corresponding coefficient is more than 10 V/cmOe, indicating that the modified BaTiO3 may be a good candidate for single-phase multiferroics. Clearly, co-doping with nonferromagnetic and nonmagnetic elements increases the diversity of new multiferroics.
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