journal article·2014-03-12

Identifying Potential BO2 Oxide Polymorphs for Epitaxial Growth Candidates

Prateek Mehta, Paul A. Salvador, John R. Kitchin

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Abstract

Transition metal dioxides (BO2) exhibit a number of polymorphic structures with distinct properties, but the isolation of different polymorphs for a given composition is carried out using trial and error experimentation. We present computational studies of the relative stabilities and equations of state for six polymorphs (anatase, brookite, rutile, columbite, pyrite, and fluorite) of five different BO2 dioxides (B = Ti, V, Ru, Ir, and Sn). These properties were computed in a consistent fashion using several exchange correlation functionals within the density functional theory formalism, and the effects of the different functionals are discussed relative to their impact on predictive synthesis. We compare the computational results to prior observations of high-pressure synthesis and epitaxial film growth and then use this discussion to predict new accessible polymorphs in the context of epitaxial stabilization using isostructural substrates. For example, the relative stabilities of the columbite polymorph for VO2 and RuO2 are similar to those of TiO2 and SnO2, the latter two of which have been previously stabilized as epitaxial films.
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Research context

OpenAlex topics: Electronic and Structural Properties of Oxides · Catalysis and Oxidation Reactions · Advanced Condensed Matter Physics

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Chemical Engineering and ‡Department of Materials Science and Engineering, Carnegie Mellon University, 5000 Forbes Avenue, Pittsburgh, Pennsylvania 15213, United States

References (97)

Show source-provided references
1. Shapovalov V. · J. Catal. · 2007 · 245 · 20510.1016/j.jcat.2006.10.009 ↗
2. Chrétien S. · Catal. Lett. · 2006 · 107 · 14310.1007/s10562-005-0014-6 ↗
3. Busca G. · Appl. Catal., B · 1998 · 18 · 110.1016/S0926-3373(98)00040-X ↗
4. Over H. · Prog. Surf. Sci. · 2003 · 72 · 310.1016/S0079-6816(03)00011-X ↗
5. Linsebigler A. L. · Chem. Rev. · 1995 · 95 · 73510.1021/cr00035a013 ↗
6. Osterloh F. E. · Chem. Mater. · 2008 · 20 · 3510.1021/cm7024203 ↗
7. Hardee K. L. · J. Electrochem. Soc. · 1977 · 124 · 21510.1149/1.2133269 ↗
8. Feng Y. · Water Res. · 2003 · 37 · 239910.1016/S0043-1354(03)00026-5 ↗
9. Meixner H. · Sens. Actuators, B · 1996 · 33 · 19810.1016/0925-4005(96)80098-0 ↗
10. Korotcenkov G. · Mater. Sci. Eng., B · 2007 · 139 · 110.1016/j.mseb.2007.01.044 ↗
11. Strukov D. B. · Nature · 2008 · 453 · 8010.1038/nature06932 ↗
12. Waser R. · Nature Materials · 2007 · 6 · 83310.1038/nmat2023 ↗
13. Hadjiivanov K. I. · Chem. Soc. Rev. · 1996 · 25 · 6110.1039/cs9962500061 ↗
14. Sclafani A. · J. Phys. Chem. · 1996 · 100 · 1365510.1021/jp9533584 ↗
15. Haines J. · Science · 1996 · 271 · 62910.1126/science.271.5249.629 ↗
16. Tse J. S. · Phys. Rev. [Sect.] B · 2000 · 61 · 1002910.1103/PhysRevB.61.10029 ↗
17. Liu H. · J. Mater. Chem. · 2009 · 19 · 283510.1039/b821799h ↗
18. Posadas A. · Appl. Phys. Lett. · 2005 · 87 · 17191510.1063/1.2120903 ↗
19. Liu J. Z. · J. Phys.: Condens. Matter · 2009 · 21 · 295402
20. Stampfl C. · Appl. Surf. Sci. · 2012 · 258 · 563810.1016/j.apsusc.2012.02.046 ↗
21. Silva V. F. · J. Appl. Crystallogr. · 2010 · 43 · 150210.1107/S0021889810041221 ↗
22. Zhang Y. · J. Mater. Chem. · 2011 · 21 · 416810.1039/c0jm04313c ↗
23. Atsumi T. · J. Alloys Compd. · 1996 · 238 · 3510.1016/0925-8388(96)02253-0 ↗
24. Balasubramaniam, K. R.Thin film growth and phase competition of layered ferroelectrics and related perovskite phases. Ph.D. Thesis, Carnegie Mellon University, 2006.
25. Balasubramaniam K. R. · Appl. Phys. Lett. · 2007 · 91 · 23290110.1063/1.2819606 ↗
26. Zhang Y. · Acta Mater. · 2012 · 60 · 648610.1016/j.actamat.2012.07.060 ↗
27. Havelia S. · CrystEngComm · 2013 · 15 · 543410.1039/c3ce40469b ↗
28. Havelia S. · Cryst. Growth Des. · 2009 · 9 · 454610.1021/cg900556d ↗
29. Schultz A. M. · Thin Solid Films · 2013 · 548 · 22010.1016/j.tsf.2013.09.073 ↗
30. Pravarthana D. · Appl. Phys. Lett. · 2013 · 103 · 14312310.1063/1.4824212 ↗
31. Burbure N. V. · Chem. Mater. · 2010 · 22 · 582310.1021/cm1018025 ↗
32. Ahuja R. · J. Phys. Chem. Solids · 2001 · 62 · 203510.1016/S0022-3697(01)00049-X ↗
33. Dubrovinskaia N. A. · Phys. Rev. Lett. · 2001 · 87 · 27550110.1103/PhysRevLett.87.275501 ↗
34. Manjón F. J. · Phys. Status Solidi B · 2009 · 246 · 910.1002/pssb.200844238 ↗
35. Gorbenko O. Y. · Chem. Mater. · 2002 · 14 · 402610.1021/cm021111v ↗
36. Jain A. · APL Mater. · 2013 · 1 · 01100210.1063/1.4812323 ↗
37. Otero-de-la-Roza A. · Comput. Phys. Commun. · 2011 · 182 · 223210.1016/j.cpc.2011.05.009 ↗
38. Kresse G. · Comput. Mater. Sci. · 1996 · 6 · 1510.1016/0927-0256(96)00008-0 ↗
39. Kresse G. · Phys. Rev. [Sect.] B · 1996 · 54 · 1116910.1103/PhysRevB.54.11169 ↗
40. Blöchl P. E. · Phys. Rev. [Sect.] B · 1994 · 50 · 1795310.1103/PhysRevB.50.17953 ↗
41. Kresse G. · Phys. Rev. [Sect.] B · 1999 · 59 · 175810.1103/PhysRevB.59.1758 ↗
42. Perdew J. P. · Phys. Rev. [Sect.] B · 1981 · 23 · 504810.1103/PhysRevB.23.5048 ↗
43. Perdew J. P. · Phys. Rev. Lett. · 1996 · 77 · 386510.1103/PhysRevLett.77.3865 ↗
44. Perdew J. P. · Phys. Rev. Lett. · 1997 · 78 · 139610.1103/PhysRevLett.78.1396 ↗
45. Perdew J. P. · Phys. Rev. Lett. · 2008 · 100 · 13640610.1103/PhysRevLett.100.136406 ↗
46. Armiento R. · Phys. Rev. [Sect.] B · 2005 · 72 · 08510810.1103/PhysRevB.72.085108 ↗
47. Mattsson A. E. · J. Chem. Phys. · 2008 · 128 · 08471410.1063/1.2835596 ↗
48. Monkhorst H. J. · Phys. Rev. [Sect.] B · 1976 · 13 · 518810.1103/PhysRevB.13.5188 ↗
49. Hebbache M. · Phys. Rev. [Sect.] B · 2004 · 70 · 22410710.1103/PhysRevB.70.224107 ↗
50. Hazen R. M. · J. Phys. Chem. Solids · 1981 · 42 · 14310.1016/0022-3697(81)90074-3 ↗
51. Burdett J. K. · J. Am. Chem. Soc. · 1987 · 109 · 363910.1021/ja00246a021 ↗
52. Ma X. G. · Phys. Status Solidi B · 2009 · 246 · 213210.1002/pssb.200945111 ↗
53. Gerward L. · J. Appl. Crystallogr. · 1997 · 30 · 25910.1107/S0021889896011454 ↗
54. Reeswinkel T. · J. Phys.: Condens. Matter · 2009 · 21 · 145404
55. Ono S. · J. Phys.: Condens. Matter · 2008 · 20 · 045202
56. Ono S. · Phys. B (Amsterdam, Neth.) · 2005 · 363 · 14010.1016/j.physb.2005.03.014 ↗
57. Haines J. · Phys. Rev. [Sect.] B · 1997 · 55 · 1114410.1103/PhysRevB.55.11144 ↗
58. Ono S. · Phys. Chem. Miner. · 2000 · 27 · 61810.1007/s002690000108 ↗
59. Hugosson H. W. · Phys. Rev. [Sect.] B · 2002 · 66 · 17411110.1103/PhysRevB.66.174111 ↗
60. Ding X. Z. · J. Mater. Sci. Lett. · 1996 · 15 · 178910.1007/BF00275343 ↗
61. Smith S. J. · Am. Mineral. · 2009 · 94 · 23610.2138/am.2009.3050 ↗
62. Ghosh T. B. · J. Appl. Phys. (Melville, NY, U. S.) · 2003 · 94 · 4577
63. Mcqueen R. G. · Science · 1967 · 155 · 140110.1126/science.155.3768.1401 ↗
64. Arlt T. · Phys. Rev. [Sect.] B · 2000 · 61 · 1441410.1103/PhysRevB.61.14414 ↗
65. Navrotsky A. · J. Am. Ceram. Soc. · 1967 · 50 · 62610.1111/j.1151-2916.1967.tb15013.x ↗
66. Mitsuhashi T. · J. Am. Ceram. Soc. · 1979 · 62 · 35610.1111/j.1151-2916.1979.tb19077.x ↗
67. Mei Z. G. · Inorg. Chem. · 2011 · 50 · 699610.1021/ic200349p ↗
68. Zhang H. · J. Phys. Chem. B · 2000 · 104 · 348110.1021/jp000499j ↗
69. Okada K. · J. Am. Ceram. Soc. · 2001 · 84 · 159110.1111/j.1151-2916.2001.tb00882.x ↗
70. Shin H. · J. Solid State Chem. · 2005 · 178 · 1510.1016/j.jssc.2004.09.035 ↗
71. Muscat J. · Phys. Rev. [Sect.] B · 2002 · 65 · 22411210.1103/PhysRevB.65.224112 ↗
72. Ma X. G. · Phys. Status Solidi B · 2009 · 246 · 213210.1002/pssb.200945111 ↗
73. Arroyo-de Dompablo M. E. · J. Chem. Phys. · 2011 · 135 · 05450310.1063/1.3617244 ↗
74. Schuisky M. · J. Electrochem. Soc. · 2000 · 147 · 331910.1149/1.1393901 ↗
75. Miao L. · J. Cryst. Growth · 2003 · 254 · 10010.1016/S0022-0248(03)01149-7 ↗
76. Aarik J. · Philos. Mag. Lett. · 1996 · 73 · 11510.1080/095008396180911 ↗
77. Aarik J. · J. Cryst. Growth · 1997 · 181 · 25910.1016/S0022-0248(97)00279-0 ↗
78. Moret M. P. · Thin Solid Films · 2000 · 366 · 810.1016/S0040-6090(00)00862-2 ↗
79. Tarre A. · J. Vac. Sci. Technol., A · 2013 · 31 · 01A11810.1116/1.4764892 ↗
80. Morin F. J. · Phys. Rev. Lett. · 1959 · 3 · 3410.1103/PhysRevLett.3.34 ↗
81. Mitsuishi T. · Jpn. J. Appl. Phys. · 1967 · 6 · 106010.1143/JJAP.6.1060 ↗
82. Oka Y. · J. Solid State Chem. · 1990 · 86 · 11610.1016/0022-4596(90)90121-D ↗
83. Théobald F. · J. Solid State Chem. · 1976 · 17 · 43110.1016/S0022-4596(76)80013-8 ↗
84. Hagrman D. · J. Solid State Chem. · 1998 · 138 · 17810.1006/jssc.1997.7575 ↗
85. Gao W. · Surf. Sci. · 2004 · 559 · 20110.1016/j.susc.2004.04.028 ↗
86. Gao W. · Surf. Sci. · 2006 · 600 · 257210.1016/j.susc.2006.04.022 ↗
87. Vittadini A. · J. Phys. Chem. B · 2005 · 109 · 2176610.1021/jp0536910 ↗
88. Prodan A. · Thin Solid Films · 1987 · 147 · 31310.1016/0040-6090(87)90027-7 ↗
89. Lamelas F. J. · Phys. Rev. [Sect.] B · 1999 · 60 · 934710.1103/PhysRevB.60.9347 ↗
90. Kong L. · Appl. Phys. Lett. · 2011 · 98 · 26190410.1063/1.3603936 ↗
91. Kim S. · J. Cryst. Growth · 2012 · 348 · 1510.1016/j.jcrysgro.2012.03.047 ↗
92. Haines J. · Phys. Rev. [Sect.] B · 1993 · 48 · 1334410.1103/PhysRevB.48.13344 ↗
93. Ono S. · J. Appl. Phys. (Melville, NY, U. S.) · 2005 · 97 · 073523
94. Shieh S. R. · Phys. Rev. [Sect.] B · 2006 · 73 · 01410510.1103/PhysRevB.73.014105 ↗
95. Gracia L. · J. Phys. Chem. B · 2007 · 111 · 647910.1021/jp067443v ↗
96. Kong L. · Mater. Lett. · 2010 · 64 · 135010.1016/j.matlet.2010.03.058 ↗
97. Dou M. · J. Appl. Phys. (Melville, NY, U. S.) · 2013 · 113 · 083703