Investigation of Transport Properties of Sitesubstituted Superstructures of Complex Transition Metal Oxides: (La,Sr)TiO3/(Ca,Y)VO3

Abstract

To unravel the structural, chemical and mechanical stabilities, electronic, thermoelectric, and optically driven transport properties of pristine and site-substituted complex transition metal oxides (titanates and vanadates), we have employed the density functional theory (DFT) and the dynamical mean field theory (DMFT) approach. The continuous time quantum Monte-Carlo (CT-QMC) with hybridization expansion technique is used as impurity solver of DMFT and the maximum entropy model (MEM) is employed for analytic continuation (AC). The study also investigates the metal insulator phase transition (MIT) of the strongly correlated electronic materials by analyzing the variation of spectral density with onsite Coulomb interaction (U) and thermodynamic parameter (β). Here, the structural, chemical, and mechanical properties of vanadates: (La1−x SrxVO 3 )n,(Ca1−xSrxVO3) n and (La1−xCaxVO3)n , and titanates: (La1−x CaxTiO3)n, (La1−x SrxTiO 3)n and (Ca1−xYx TiO 3)n systems studied using the first-principles based calculations. The energy minimization curves, and negative values of cohesive energy (CE) and formation energy (FE) reveal their higher structural and chemical stabilities, indicating that these pristines and the site-substituted vanadates and titanates are chemically stable and viable for laboratory synthesis. The modulus of elasticities, Poisson’s and Pugh’s ratios, anisotropy factor, and Cauchy pressure of the systems indicate their mechanical stabilities and the results suggest that superstructures are elastically weaker than pristine systems. The DFT calculation shows the pristine CaVO3, SrVO3, LaVO3, LaTiO3,YTiO 3 , YVO 3and all the superstructures are metallic/semiconducting in nature which contradicts the experimental information, whereas resembles with other theoretical calculations. The pristine SrTiO3 and CaTiO3 found to be band insulators with band gaps 3.42 eV and 2.76 eV respectively, which resembles closely to other available information. For the realistic picture of electronic structures, DMFT approach (CT-QMC data) along with MEM are employed and found that MIT parameters for pristines and superstructures of vanadate systems are mentioned in the parentheses, CaVO3 (U = 5.0 eV, β = 6.0 (eV)−1), LaVO3 (U = 4.5 eV, β = 8.0 (eV)−1), SrVO3 (U = 2.5 eV, β = 6.0 (eV)−1 ), LaSrV2O6 (U = 4.0 eV, β = 10.0 (eV)−1 ) and La0.40Ca0.60VO3 (U = 5.0 eV, β = 10.0 viii(eV)−1), respectively. Similarly, the DMFT results of pristines and superstructures of titanate systems are also computed (mentioned in the parentheses) as, LaTiO3 (U = 4.0 eV, β = 8.0 (eV)−1), YTiO3 (U = 5.0 eV, β = 10.0 (eV)−1), LaSrTi2O6 (U = 4.7 eV, β = 6.0 (eV)−1 ), La 0.8 Sr 0.2TiO 3 (U = 3.2 eV, β = 10.0 (eV)−1 ) and Ca x Y1−xTiO 3 (U = 5.0 eV, β = 7.0 (eV)−1), respectively, and found to be consistent with other results. The analysis of characteristic sharp quasi-particle peaks reveal that vanadate, La0.40 Sr0.60VO3and titanate, La0.80Sr0.20TiO3 superstructures show metallic phases in same set of MIT parameters, (U = 3.0 eV, β = 6.0 (eV)−1 ). The set of Mott quantum critical point (QCP) for La 0.40 Ca 0.60 VO 3 system is observed for an elevated temperatures at (UC = 2.95 eV, βC = 23.58 (eV)−1). The clear Mott gaps for La0.40 Ca0.60VO 3 , and La 0.80 Sr 0.20 TiO 3 are computed as 0.73 eV (U = 5.0 eV, β =10.0 (eV)−1) and 0.74 eV (U = 3.2 eV, β =10.0 (eV)−1), respectively. The BoltzTraP calculations show that La0.40 Ca0.60VO3 and La0.80Sr0.20TiO3 systems have peak values of electrical conductivities (2.11 × 1020 (Ω.m.s)−1 , 3.75 × 1020 (Ω.m.s)−1 ), and thermal conductivities (1.54 × 1015 W/(m.K.s) and 2.68 × 1015 W/(m.K.s) ), respectively, at room temperature (300 K) for a given chemical potential (μ = −0.14eV ) . Both have the larger Seebeck coefficient (S), and thermoelectric power factor (TPF) indicating that these superstructures are better candidate for thermoelectric applications. The study of Seebeck coefficient and Hall coefficient reveal that the thermoelectric phase transition occur due to the site-substitutions of the superstructures. The photo-induced behaviors of materials in IR-to-UV regions, including visible region are investigated using the dielectric function, index of refraction, ELOSS function, absorptivity, reflectivity, optical conductivity and sumrule. The Drude peaks result support the model parameters (U and β) of DMFT calculation for the optically driven MIT in La0.40Sr0.60VO3 and La0.80Sr0.20 TiO3 superstructure systems. Finally, the study of the MIT model parameters and diverse phase diagrams help us to fabricate these materials to design Mottronic devices (neuromorphic computing, quantum computing, resistive memory devices and artificial neurons), and energy harvesting devices (photovoltaics, solar and radioisotope thermoelectric generators and freezers). यस अनुसन्धान कार्यमा जटिल प्रकृतिका ट्रान्जिसन धातुहरुको अक्साईड र तिनीहरुको सुपर संरचनाहरुको संरचनात्मक, रसायनिक र यान्त्रीक स्थायीत्व तथा ईलेक्ट्रोनिक, तापजन्यविद्युतीय र प्रकाश-प्रेरित परिवहन (ट्रान्सपोर्ट) को प्रकृति एवं चालक-अचालकताको अवस्था-संक्रमण (MIT) सम्बन्धित मोडेल प्यारामिटरहरुको विषयमा डेन्सिटी फङ्सनल सिद्धान्त (DFT) र डाईनामिकल मीन फिल्ड सिद्धान्त (DMFT) अन्तर्गतको कन्टिन्युअस टाईम क्वान्टम मोंटे कार्लो (CT- QMC) मध्ये हाईब्रिडाईजेशन विस्तार एल्गोरिदम उपयोग गरी विभिन्न भ्यानेडेट्स: [(Ca1-xSrxVO3)n, (La1-xSrxVO3)n र (La1-xCaxVO3)n] तथा टाइटानेट्स: [(Ca1-xYxTiO3)n, (La1-xSrxTiO3)n र (La1-xCaxTiO3)n] पदार्थहरुको विस्तृत अध्ययन तथा अन्वेशण गरिएको छ । उर्जा न्यूनिकरण कर्भहरु, कोहेसिभ र फर्मेसन उर्जाहरुको ऋणात्मक मानको आधारमा ति भ्यानेडेट र टाइटानेटहरुको आधारभुत संरचना र सुपर–संरचनाहरुको संरचनात्मक र रसायनिक स्थायीत्व रहेको साथै तिनीहरुलाई प्रयोगशालामा संस्लेषण र निर्माण गरी जीवनोपयोगी प्रयोगमा ल्याउन समेत सकिने निस्कर्ष निकालिएको छ । यसै गरी विभिन्न मेकानिकल प्यारामिटर जस्तै ईलास्टिक कन्सट्यान्ट, ईलास्टिक मोड्युलस, पोइसन तथा पगका अनुपातहरु, काउची दबाब र एनाइसोट्रपिक फ्याक्टरहरुका मानहरुको आधारमा, सम्पूर्ण अध्ययन गरिएका संरचनाहरुले यान्त्रिक स्थायीत्वको प्रत्याभूति गर्दछन् । यि अध्ययनहरुले साइट-प्रतिस्थापित सुपर संरचनाका ईलास्टिक गुणहरु तुलनात्मक रुपले आधारभूत संरचनाहरु भन्दा न्युन देखिएका छन् तथापी तिनीहरुको उपयोग विभिन्न स्मार्ट अनुप्रयोगहरुमा हुन सक्दछन्, जस्तै मोट्रोनिक अनुप्रयोगहरु (न्युरोमोर्फिक कम्प्युटिङ्ग, क्वान्टम कम्प्युटिङ्ग, रजिस्टीभ मेमोरी, कृत्रिम न्यूरोन) तथा उर्जा संकलन अनुप्रयोगहरु (फोटो भोल्टाइक, सौर्य तथा रेडियो आइसोटोपीक तापजन्यविद्युतीय जेनेरेटरहरु, फ्रिजर)को प्रयोजनका लागि सदुपयोग गर्न सकिने निस्कर्ष निकालिएको छ। यहाँ DFT को अध्ययनको आधारमा, केही आधारभूत संरचनाहरु (CaVO3, LaVO3, SrVO3, YVO3, CaTiO3, LaTiO3, SrTiO3, YTiO3)का प्राप्त तथ्याङ्कहरु प्रयोगात्मक अध्ययनको तथ्याङ्कहरुसँग भन्दा सैद्धान्तिक अध्ययनसँग हाम्रो निस्कर्षहरु सहमत देखिन्छन् । हाम्रो गणनाले CaTiO3 र SrTiO3 हरुको व्याण्ड ग्याप क्रमशः 2.76 eV र 3.42 eV सहित व्याण्ड अचालकका गुण देखाउछन् । यसरी नै CaVO3, SrVO3 र YVO3 हरु चाहीं सह-सम्बन्धित चालक गुण देखाउँछन् भने LaVO3, LaTiO3, र YTiO3 चाहीं मोट-अचालकहरु देखिन्छन् । विशेषत: साइट-प्रतिस्थापित सुपर-संरचनाहरु चाहीं सह-सम्बन्धित चालक वा अर्ध-चालक गुण देखाउँछन् ।

i यसै गरी हामीले DFT तथ्याङ्कहरुको प्रयोगगरी DMFT सहित म्याक्सिमम इन्ट्रोपी मोडल (MEM) को उपयोग गर्दै मोट ग्याप प्यारामिटरहरु विभिन्न आधारभूत संरचनाहरु र तिनीहरुको साइट-प्रतिस्थापित सुपर-संरचनाहरु मध्ये भ्यानेडेट प्रणाली, CaVO3 (U =5.0 eV, β=6.0(eV)^(-1)), LaVO3 (U = 4.5 eV, β=8.0(eV)^(-1)), SrVO3 (U=2.5eV, β=6.0(eV)^(-1)), La0.50Sr0.50VO3 (U = 4.0 eV, β=10.0(eV)^(-1)) / La0.40Ca0.60VO3 (U = 5.0 eV, β=10.0(eV)^(-1)) साथै टाइटानेट प्रणाली, LaTiO3 (U =4.0 eV, β=8.0(eV)^(-1)), YTiO3 (U = 5.0 eV, β=10.0(eV)^(-1)), Ca0.33SrY0.67TiO3 (U = 5.0 eV, β=7.0(eV)^(-1)) / La0.80Sr0.20TiO3 (U = 3.2 eV, β=10.0(eV)^(-1))हरुका MIT मोडेल प्यारामिटरहरु कोष्ठमा उल्लेखीत भए बमोजिम गणना गरिएका छन् । हाम्रा साइट-प्रतिस्थापित सुपर-संरचना मध्ये La040Ca0.60VO3 र La0.80Sr0.20TiO3 प्रणालीहरुको मोट ग्यापहरु क्रमशः 0.73 eV (U = 5.0 eV, β=10.0(eV)^(-1)) र 0.74 eV (U = 3.2 eV, β=10.0(eV)^(-1)) प्राप्त भएका छन् । त्यसरी नै ति दुवै प्रणालीहरुको क्वाजाई पार्टीकल सूचालकता चाहीं एकै मोडेल प्यारामिटरको सेट (U = 3.0 eV, β=6.0(eV)^(-1)) मा देखिएको छ । अर्कोतर्फ La0.40Ca0.60VO3 प्रणाली संवद्ध एक उच्च तापमानको क्वान्टम क्रिटिकल बिन्दु (QCP) को मोडेल प्यारामिटर (UC = 2.95 eV, β_C=23.58(eV)^(-1)) देखिएकोछ । यसरी नै बोल्ट्ज ट्रयाप एल्गोरिद्मको उपयोगगरी गणना गरिएको विद्युतीय चालकता, तापजन्य चालकता, सि-वेक गुणाङ्क तथा तापजन्यविद्युतीय पावर फ्याक्टर (TPF) को आधारमा उल्लेखित सुपर-संरचनाहरु तापजन्यविद्युतीय अनुप्रयोगका लागि उपयोग गर्न सकिने प्रबल संभावना देखिएको छ । यस खोजकार्यमा प्रकाश-प्रेरित परिवहन सम्बन्धी अध्ययनको लागि IR - UV (0 – 20.0eV) रेन्जको फोटोन उर्जा प्रयोग गरी डाईलेक्ट्रिक फङ्सन, अपवर्तक सूचकांक, ELOSS फङ्सन, अवशोषण, परावर्तन, समरुल तथा प्रकाशजन्य चालकताहरुको अध्ययनबाट उपरोक्त पदार्थहरु प्रकाश-प्रेरित उपकरण तथा परिवहन कार्यमा उपयोग हुन सक्ने निस्कर्ष प्रस्तुत गरिएको छ ।