POINT DEFECTS IN FeMe2O4 (Me = Fe, Cr) SPINELS: A DFT+U INVESTIGATION

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Spinel-type crystals AMe2O4 encompass a wide range of practical applications like photocatalysis or spintronics, but often demonstrate non-trivial electronic and magnetic properties which theoretical description is mitigated. In this work, we performed DFT+U calculations for the most extensive set of neutral point defects in Fe3O4 (magnetite) and FeCr2O4 (chromite) and investigated all the possible types of cationic and oxygen defects in both spinels. Our results unveil both similarities and principal differences between the defective Fe3O4 and FeCr2O4, posing chromite as a material less prone to defect formation, and could be a valuable asset to the development of new multiscale models of steel corrosion.

About the authors

G. D. Chichevatov

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Email: chichevatov.gd@phystech.edu
Russian Federation, 125412, Moscow; 141701, Dolgoprudny, Moscow region

V. V. Stegaylov

Joint Institute for High Temperatures, Russian Academy of Sciences; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University); National Research University “Higher School of Economics”

Author for correspondence.
Email: chichevatov.gd@phystech.edu
Russian Federation, 125412, Moscow; 141701, Dolgoprudny, Moscow region; 101000, Moscow

References

  1. К. И. Кугель, Д. И. Хомский, УФН 136, 621 (1982).
  2. С. В. Стрельцов, Д. И. Хомский, УФН 187, 1205 (2017).
  3. D. I. Khomskii and S. V. Streltsov, Chem. Rev. 121, 2992 (2021).
  4. М. Ю. Каган, К. И. Кугель, Д. И. Хомский, ЖЭТФ 120, 470 (2001).
  5. I. I. Mazin, D. I. Khomskii, R. Lengsdorf, J. A. Alonso, W. G. Marshall, R. M. Ibberson, A. Podlesnyak, M. J. Mart´ınez-Lope, and M. M. Abd-Elmeguid, Phys. Rev. Lett. 98, 176406 (2007).
  6. А. О. Сбойчаков, А. В. Рожков, К. И. Кугель, А. Л. Рахманов, Письма в ЖЭТФ 112, 693 (2020).
  7. A. Bosak, D. Chernyshov, M. Hoesch, P. Piekarz, M. Le Tacon, M. Krisch, A. Kozl�owski, A. M. Ole´s, and K. Parlinski, Phys. Rev. X 4, 011040 (2014).
  8. S. V. Ovsyannikov, M. Bykov, E. Bykova, D. P. Kozlenko, A. A. Tsirlin, A. E. Karkin, V. V. Shchennikov, S. E. Kichanov, H. Gou, A. M. Abakumov, R. Egoavil, J. Verbeeck, C. McCammon, V. Dyadkin, D. Chernyshov, S. van Smaalen, and L. S. Dubrovinsky, Nat. Chem. 8, 501 (2016).
  9. S. V. Ovsyannikov, M. Bykov, S. A. Medvedev, P. G. Naumov, A. Jesche, A. A. Tsirlin, E. Bykova, I. Chuvashova, A. E. Karkin, V. Dyadkin, D. Chernyshov, and L. S. Dubrovinsky, Angew. Chem. Int. Ed. 59, 5632 (2020).
  10. V. I. Anisimov, I. S. Elfimov, N. Hamada, and K. Terakura, Phys. Rev. B 54, 4387 (1996).
  11. V. S. Zhandun, N. V. Kazak, I. Kupenko, D. M. Vasiukov, X. Li, E. Blackburn, and S. G. Ovchinnikov, Dalton Trans. 53, 2242 (2024).
  12. V. I. Anisimov, J. Zaanen, and O. K. Andersen, Phys. Rev. B 44, 943 (1991).
  13. A. I. Liechtenstein, V. I. Anisimov, and J. Zaanen, Phys. Rev. B 52, R5467 (1995).
  14. V. I. Anisimov, F. Aryasetiawan, and A. I. Lichtenstein, J. Phys.: Condens. Matter 9, 767 (1997).
  15. V. I. Anisimov, A. I. Poteryaev, M. A. Korotin, A. O. Anokhin, and G. Kotliar, J. Phys. Condens. Matter 9, 7359 (1997).
  16. G. Trimarchi, I. Leonov, N. Binggeli, D. Korotin, and V. I. Anisimov, J. Phys.: Condens. Matter 20, 135227 (2008).
  17. L. Hozoi, L. Siurakshina, P. Fulde, and J. van den Brink, Sci. Rep. 1, 65 (2011).
  18. S. Nishimoto, V. M. Katukuri, V. Yushankhai, H. Stoll, U. K. R¨oßler, L. Hozoi, I. Rousochatzakis, and J. van den Brink, Nat. Commun. 7, 10273 (2016).
  19. D. A. Maltsev, Y. V. Lomachuk, V. M. Shakhova, N. S. Mosyagin, L. V. Skripnikov, and A. V. Titov, Phys. Rev. B 103, 205105 (2021).
  20. A. V. Oleynichenko, Y. V. Lomachuk, D. A. Maltsev, N. S. Mosyagin, V. M. Shakhova, A. Zaitsevskii, and A. V. Titov, Phys. Rev. B 109, 125106 (2024).
  21. J. Zhang, Corros. Sci. 51, 1207 (2009).
  22. Q. Chen, Y. Chen, F. Zhang, J. Yang, C. Zhu, W. Zhang, H. Liu, Y. Zhong, J. Deng, Q. Li, N. Liu, and J. Yang, J. Nucl. Mater. 573, 154097 (2023).
  23. N. Li and J. Zhang, Oxid. Met. 63, 353 (2005).
  24. K. Lambrinou, V. Koch, G. Coen, J. Van den Bosch, and C. Schroer, J. Nucl. Mater. 450, 244 (2014).
  25. L. Martinelli and F. Balbaud-C´el´erier, Mater. Corros. 62, 531 (2011).
  26. D. Kolotinskii, V. Nikolaev, V. Stegailov, and A. Timofeev, Corros. Sci. 211, 110829 (2023).
  27. Y. Li, R. Zhou, X. Long, T. Gao, and C. Chen, J. Nucl. Mater. 583, 154492 (2023).
  28. D. Li, C. Song, H. Y. He, C. S. Liu, and B. C. Pan, Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 7417 (2014).
  29. D. Li, B. Qu, H. Y. He, Y. G. Zhang, Y. Xu, B. C. Pan, and R. Zhou, Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 7789 (2016).
  30. Y. Lei, Y. Zhang, X. Li, Y. Xu, X. Wu, X. Wang, M. Sun, J. Yang, C. Liu, and Z. Wang, J. Nucl. Mater. 582, 154470 (2023).
  31. E. J. W. Verwey, Nature 144, 327 (1939).
  32. E. J. Verwey, P. W. Haayman, and F. C. Romeijn, J. Chem. Phys. 15, 181 (1947).
  33. J. E. Lorenzo, C. Mazzoli, N. Jaouen, C. Detlefs, D. Mannix, S. Grenier, Y. Joly, and C. Marin, Phys. Rev. Lett. 101, 226401 (2008).
  34. G. Shirane, D. E. Cox, and S. J. Pickart, J. Appl. Phys. 35, 954 (1964).
  35. S. Bord´acs, D. Varjas, I. K´ezsm´arki, G. Mih´aly, L. Baldassarre, A. Abouelsayed, C. A. Kuntscher, K. Ohgushi, and Y. Tokura, Phys. Rev. Lett. 103, 077205 (2009).
  36. S. Nakamura and A. Fuwa, Phys. Procedia 75, 747 (2015).
  37. K. Tomiyasu, H. Hiraka, K. Ohoyama, and K. Yamada, J. Phys. Soc. Jpn. 77, 124703 (2008).
  38. J. A. G. Cer´on, D. A. L. T´ellez, and J. Roa-Rojas, J. Electron. Mater. 51, 822 (2022).
  39. H.-T. Jeng, G. Y. Guo, and D. J. Huang, Phys. Rev. Lett. 93, 156403 (2004).
  40. I. Leonov, A. N. Yaresko, V. N. Antonov, M. A. Korotin, and V. I. Anisimov, Phys. Rev. Lett. 93, 146404 (2004).
  41. H. P. Pinto and S. D. Elliott, J. Phys. Condens. Matter 18, 10427 (2006).
  42. P. Piekarz, K. Parlinski, and A. M. Ole´s, Phys. Rev. Lett. 97, 156402 (2006).
  43. P. Piekarz, K. Parlinski, and A. M. Ole´s, Phys. Rev. B 76, 165124 (2007).
  44. F. Zhou and G. Ceder, Phys. Rev. B 81, 205113 (2010).
  45. P. W. Anderson, Phys. Rev. 102, 1008 (1956).
  46. H.-Y. Huang, Z.-Y. Chen, R.-P. Wang, F. M. de Groot, W.-B. Wu, J. Okamoto, A. Chainani, A. Singh, Z.-Y. Li, J.-S. Zhou, H.-T. Jeng, G. Y. Guo, J.-G. Park, L. H. Tjeng, C. T. Chen, and D. J. Huang, Nat. Commun. 8, 15929 (2017).
  47. M. S. Senn, J. P. Wright, and J. P. Attfield, Nature 481, 173 (2012).
  48. M. S. Senn, J. P. Wright, J. Cumby, and J. P. Attfield, Phys. Rev. B 92, 024104 (2015).
  49. M. S. Senn, I. Loa, J. P. Wright, and J. P. Attfield, Phys. Rev. B 85, 125119 (2012).
  50. P. Piekarz, D. Legut, E. Baldini, C. A. Belvin, T. Kol�odziej, W. Tabi´s, A. Kozl�owski, Z. Kakol, Z. Tarnawski, J. Lorenzana, N. Gedik, A. M. Ole´s, J. M. Honig, and K. Parlinski, Phys. Rev. B 103, 104303 (2021).
  51. W. Wang, J. Li, Z. Liang, L. Wu, P. M. Lozano, A. C. Komarek, X. Shen, A. H. Reid, X. Wang, Q. Li, W. Yin, K. Sun, I. K. Robinson, Y. Zhu, M. P. Dean, and J. Tao, Sci. Adv. 9, eadf8220 (2023).
  52. J. Noh, O. I. Osman, S. G. Aziz, P. Winget, and J.-L. Br´edas, Sci. Technol. Adv. Mater. 15, 044202 (2014).
  53. J.-H. Park, L. H. Tjeng, J. W. Allen, P. Metcalf, and C. T. Chen, Phys. Rev. B 55, 12813 (1997).
  54. D. Schrupp, M. Sing, M. Tsunekawa, H. Fujiwara, S. Kasai, A. Sekiyama, S. Suga, T. Muro, V. A. M. Brabers, and R. Claessen, Europhys. Lett. 70, 789 (2005).
  55. S. K. Park, T. Ishikawa, and Y. Tokura, Phys. Rev. B 58, 3717 (1998).
  56. A. Hevroni, M. Bapna, S. Piotrowski, S. A. Majetich, and G. Markovich, J. Phys. Chem. Lett. 7, 1661 (2016).
  57. A. Banerjee and A. J. Pal, J. Phys.: Condens. Matter 32, 055701 (2019).
  58. L. Craco, M. S. Laad, and E. Mu¨ller-Hartmann, Phys. Rev. B 74, 064425 (2006).
  59. S. Srivastava, B. P. Uberuaga, and M. Asta, J. Phys. Chem. C 127, 17460 (2023).
  60. H. Liu and C. Di Valentin, J. Phys. Chem. C 121, 25736 (2017).
  61. М. И. Шутикова, В. В. Стегайлов, ЖЭТФ 160, 249 (2021).
  62. M. I. Shutikova and V. V. Stegailov, J. Phys.: Condens. Matter 34, 475701 (2022).
  63. N. Naveas, R. Pulido, C. Marini, P. Gargiani, J. Hernandez-Montelongo, I. Brito, and M. Manso-Silv´an, J. Chem. Theory Comput. 19, 8610 (2023).
  64. E. Gu¨rsoy, G. B. Vonbun-Feldbauer, and R. H. Meißner, J. Phys. Chem. Lett. 14, 6800 (2023).
  65. O´. A. Restrepo, O´ . Arnache, J. Restrepo, C. S. Becquart, and N. Mousseau, Comput. Mater. Sci. 213, 111653 (2022).
  66. M. Robbins, G. Wertheim, R. Sherwood, and D. Buchanan, J. Phys. Chem. Sol. 32, 717 (1971).
  67. H. Levinstein, M. Robbins, and C. Capio, Mater. Res. Bull. 7, 27 (1972).
  68. K. Kose and S. Iida, J. Appl. Phys. 55, 2321 (1984).
  69. D. Lee and G. Chern, Physica B 407, 297 (2012).
  70. J. Ma, V. O. Garlea, A. Rondinone, A. A. Aczel, S. Calder, C. dela Cruz, R. Sinclair, W. Tian, S. Chi, A. Kiswandhi, J. S. Brooks, H. D. Zhou, and M. Matsuda, Phys. Rev. B 89, 134106 (2014).
  71. P. V. B. Pinho, A. Chartier, D. Menut, A. Barbier, M. O. Hunault, P. Ohresser, C. Marcelot, B. Warot-Fonrose, F. Miserque, and J.-B. Moussy, Appl. Surf. Sci. 615, 156354 (2023).
  72. D. Santos-Carballal, A. Roldan, R. Grau-Crespo, and N. H. de Leeuw, Phys. Rev. B 91, 195106 (2015).
  73. D. Das and S. Ghosh, J. Phys. D 48, 425001 (2015).
  74. C. Li, P. Li, L. Li, D. Wang, X. Gao, and X. J. Gao, RSC Adv. 11, 21851 (2021).
  75. Н. А. Фоминых, В. В. Стегайлов, Письма в ЖЭТФ 117, 857 (2023).
  76. S. A. Chambers, T. C. Droubay, T. C. Kaspar, I. H. Nayyar, M. E. McBriarty, S. M. Heald, D. J. Keavney, M. E. Bowden, and P. V. Sushko, Adv. Funct. Mater. 27, 1605040 (2017).
  77. C. Benhalima, S. Amari, L. Beldi, and B. Bouhafs, Spin 9, 1950014 (2019).
  78. D. A. Andersson and C. R. Stanek, Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 15550 (2013).
  79. L. Sun, J. Alloys Compd. 875, 160065 (2021).
  80. T. Ramachandran and F. Hamed, Mater. Res. Bull. 95, 104 (2017).
  81. A. Boudjemaa, R. Bouarab, S. Saadi, A. Bouguelia, and M. Trari, Appl. Energy 86, 1080 (2009).
  82. C. Freysoldt, B. Grabowski, T. Hickel, J. Neugebauer, G. Kresse, A. Janotti, and C. G. Van de Walle, Rev. Mod. Phys. 86, 253 (2014).
  83. R. Dieckmann, J. Phys. Chem. Sol. 59, 507 (1998).
  84. R. Dieckmann and H. Schmalzried, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 81, 344 (1977).
  85. R. Dieckmann and H. Schmalzried, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 81, 414 (1977).
  86. R. Dieckmann, T. O. Mason, J. D. Hodge, and H. Schmalzried, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 82, 778 (1978).
  87. R. Dieckmann, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 86, 112 (1982).
  88. R. Dieckmann, C. A. Witt, and T. O. Mason, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 87, 495 (1983).
  89. R. Dieckmann and H. Schmalzried, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 90, 564 (1986).
  90. M. Backhaus-Ricoult and R. Dieckmann, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 90, 690 (1986).
  91. R. Dieckmann, M. R. Hilton, and T. O. Mason, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 91, 59 (1987).
  92. J. T¨opfer, S. Aggarwal, and R. Dieckmann, Solid State Ion. 81, 251 (1995).
  93. S. Aggarwal and R. Dieckmann, Phys. Chem. Miner. 29, 695 (2002a).
  94. S. Aggarwal and R. Dieckmann, Phys. Chem. Miner. 29, 707 (2002b).
  95. N. Peterson, W. Chen, and D. Wolf, J. Phys. Chem. Solids 41, 709 (1980).
  96. J. A. Van Orman and K. L. Crispin, Rev. Mineral. Geochem. 72, 757 (2010).
  97. F. Millot and N. Yan, J. Phys. Chem. Solids 58, 63 (1997).
  98. S. Shousha, S. Khalil, and M. Youssef, Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 25518 (2021).
  99. C. L. Muhich, V. J. Aston, R. M. Trottier, A. W. Weimer, and C. B. Musgrave, Chem. Mater. 28, 214 (2016).
  100. Y. Meng, X.-W. Liu, C.-F. Huo, W.-P. Guo, D.B. Cao, Q. Peng, A. Dearden, X. Gonze, Y. Yang, J. Wang, H. Jiao, Y. Li, and X.-D. Wen, J. Chem. Theory Comput. 12, 5132 (2016).
  101. M. W. Chase, NIST-JANAF Thermochemical Tables, ACS, New York (1998).
  102. G. Kresse and J. Hafner, Phys. Rev. B 49, 14251 (1994).
  103. G. Kresse and J. Furthmuller, Comput. Mater. Sci. 6, 15 (1996).
  104. G. Kresse and J. Furthmuller, Phys. Rev. B 54, 11169 (1996).
  105. P. E. Blochl, Phys. Rev. B 50, 17953 (1994).
  106. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
  107. P. E. Blochl, O. Jepsen, and O. K. Andersen, Phys. Rev. B 49, 16223 (1994).
  108. S. L. Dudarev, G. A. Botton, S. Y. Savrasov, C. J. Humphreys, and A. P. Sutton, Phys. Rev. B 57, 1505 (1998).
  109. V. Stegailov, G. Smirnov, and V. Vecher, Concurr. Comput. Pract. Exp. 31, e5136 (2019).
  110. A. Stukowski, Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 18, 015012 (2010).
  111. S. P. Ong, W. D. Richards, A. Jain, G. Hautier, M. Kocher, S. Cholia, D. Gunter, V. L. Chevrier, K. A. Persson, and G. Ceder, Comput. Mater. Sci. 68, 314 (2013).
  112. I. Mosquera-Lois, S. R. Kavanagh, A. Walsh, and D. O. Scanlon, J. Open Source Softw. 7, 4817 (2022).
  113. I. Mosquera-Lois, S. R. Kavanagh, A. Walsh, and D. O. Scanlon, Npj Comput. Mater. 9, 1 (2023).
  114. S. E. Ziemniak, L. M. Anovitz, R. A. Castelli, and W. D. Porter, J. Chem. Thermodyn. 39, 1474 (2007).
  115. R. Snethlage and D. Klemm, Neues Jb. Miner. Abh. 125, 227 (1975).
  116. M. Shevchenko, D. Shishin, and E. Jak, Ceram. Int. 48, 33418 (2022).
  117. B. Dorado, B. Amadon, M. Freyss, and M. Bertolus, Phys. Rev. B 79, 235125 (2009).
  118. B. Meredig, A. Thompson, H. A. Hansen, C. Wolverton, and A. van de Walle, Phys. Rev. B 82, 195128 (2010).
  119. K. Sharma, L. Calmels, D. Li, A. Barbier, and R. Arras, Phys. Rev. Mater. 6, 124402 (2022).
  120. R. Arras, K. Sharma, and L. Calmels, J. Mater. Chem. C 12, 556 (2024).
  121. H. S. C. O’Neil and A. Navrotsky, Am. Mineral. 69, 733 (1984).
  122. R. Eppstein and M. Caspary Toroker, ACS Mater. Au. 2, 269 (2022).
  123. V. A. Kurepin, Contrib. Mineral. Petrol. 149, 591 (2005).
  124. D. Levy, R. Giustetto, and A. Hoser, Phys. Chem. Miner. 39, 169 (2012).
  125. Elnaggar, S. Graas, S. Lafuerza, B. Detlefs, W. Tabis, M. A. Gala, A. Ismail, A. van der Eerden, M. Sikora, J. M. Honig, P. Glatzel, and F. de Groot, Phys. Rev. Lett. 127, 186402 (2021).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».