Schiaffino, Andrea Maria Enrico. "First-principles theory of flexoelectricity: methods and applications." Doctoral thesis, Universitat Autònoma de Barcelona, 2019. http://hdl.handle.net/10803/667391.
Resumo:
Esta tesis se centra en los desarrollos recientes de la teoría microscopía de la
exoelectricidad y sus aplicaciones prácticas con tal de estudiar la respuesta
física en sistemas concretos. La
exoelectricidad es la propiedad electromecánica
de todos los aislantes de desarrollar una respuesta polar a una perturbación
uniforme del gradiente de deformación.
Una teoría formal de tal efecto se ha establecido recientemente en el marco de
la teoría de perturbación del funcional densidad (DFPT). Aun así, para alcanzar
una metodología valiosa para la automatización del cálculo de la respuesta
exoeléctrica para un cristal genérico, quedan algunos detalles conceptuales y
prácticos. Estos están relacionados con las rotaciones locales de la muestra que
pueden seguir una perturbación de gradiente de deformación. En esta tesis nos
ocuparemos de tal cuestión; la solución se basa en la introducción de una nueva
perturbación del cristal, la perturbación métrica, que se define como un fonón
acústico descrito en el sistema de referencia que se mueve conjuntamente con
los átomos. Después de presentar su implementación formal en el contexto de
DFPT y en la aproximación de pseudopotencial separable, emplearemos esta
nueva herramienta para calcular el tensor
exoeléctrico para materiales seleccionados.
A los logros anteriores les sigue una aplicación práctica de la teoría
flexoeléctrica a la ingeniería del diseño de dispositivos "
exovoltaicos", es decir
dispositivos fotovoltaicos cuyos principios fundamentales de trabajo se basan en
el efecto
exoeléctrico. En la práctica, gracias a la estrecha conexión entre la
teoría de la
exoelectricitad y y la teoría de los potenciales absolutos de deformaci
ón, mostramos cómo se puede calcular el perfil de bandas electrónicas en
nanodispositivos doblados utilizando pocos y bien definidos parámetros. Dichos
parámetros dependen de las condiciones de contorno electrostático impuesto.
Finalmente centraremos nuestra atención en la respuesta polar mostrada por
las paredes del dominio (PdD) ferroeelástico en SrTiO3, recientemente detectado.
En general, las PdD se consideran una fuente prometedora de efectos
físicos inusuales que pueden ser de interés práctico para aplicaciones de dispositivos
electrónicos. Para mejorar la aplicabilidad de tales efectos físicos, es
imprescindible entender su origen. Inspirados en la teoría de la
exoelectricidad,
en este trabajo desarrollamos una metodología original para estudiar el caso de
las PdD ferroelásticos en SrTiO3, que se basa en la construcción de un modelo
energético efectivo, construido en base a calculos de primeros principios, y eso
incluyendo los efectos de los acoplamientos entre diferentes distorsiones inhomogeneas
del cristal. Se discuten los efectos de cada contribución a la polarización
total en las PdD.<br>This thesis focus on the recent developments of the microscopic
exoelectric
theory and its practical applications to study the physical response in concrete
systems. Flexoelectricity is the electromechanical property of all insulators of
developing a polar response to a uniform strain gradient perturbation.
A formal theory of such effect has been recently established in the framework
of density functional perturbation theory (DFPT). Still, in order to reach a valu-
able methodology to facilitate the calculation of the bulk
exoelectric response
for a generic crystal, some conceptual and practical subtelties remains. They
are related with local rotations of the sample that can follow a strain gradient
perturbation. In this thesis we will deal with such issue; The solution is based
on the introduction of a novel crystal perturbation, the metric perturbation,
which is defined as an acoustic phonon described in the reference frame that is
co-moving with the atoms. After presenting its formal implementation in the
context of the DFPT within the separable pseudopotential approximation, we
will employ such new tool to perform extensive calculations of the
exoelectric
tensor for selected materials.
The previous achievements are followed by a practical application of the
exoelectric theory to engineering the design of \
exovoltaic" devices, i.e. photovoltaic devices that base their fundamental working principles on the
exoelectric effect. In practice, thanks to the close connection between the
exoelectric theory and the theory of absolute deformation potentials, we show how
the electron band profile of bended nanodevices can be calculated, in a mesoscopic semiclassical framework, using few and well defined parameters. Such
parameters vary with respect to the type of electrostatic boundary conditions
imposed.
Finally, we will focus our attention on the polar response shown by the fer-
roelastic domain walls (DWs) in SrTiO3, recently detected. In general, DWs are
considered a promising source of unusual physical effects that can be of prac-
tical interest for electronic device applications. For improving the applicability
of such physical effects it is essential to understand their origin. Inspired by
the theory of
exoelectricity we develop an original methodology to study the
case of the ferrolastic DWs in SrTiO3, which is based on the construction of an
effective energy model, full from first principles, and that includes the effects of
gradient mediated couplings between different crystal distortions. The effects
of each identified contribution to the total polarization at the DWs is discussed.