The stabilization of oxide and oxide-metal interfaces by defects and impurities

Theoretical Physics Division, Harwell Laboratory, Didcot, Oxon 0X11 ORA, United Kingdom.

Abstract

Lattice defects and impurities can play a dominant role in determining the stability and structure of interfaces involving oxide materials. A particularly important example is the oxide-metal interface whose critical feature is a large mis-match in the dielectric constant between the two materials. The resulting image interactions derived from charges in the oxide provide the principle binding between the materials. We show that the systematics of wetting by metals and other features of the interface stability can be interpreted in terms of a simple model based on these image interactions. Atomistic lattice simulations of other oxide interfaces and surfaces confirm these general features and emphasise the role of both defects and impurities. Examples discussed include the structures of hetero-interfaces, grain boundaries, point defects and impurities near oxide surfaces. The last example shows that impurity segregation can stabilise a surface such that the surface energy is negative.

Résumé

Les défauts de réseau et les impuretés peuvent jouer un rôle dominant pour déterminer la stabilité et la structure des interfaces mettant en jeu des oxydes. Un exemple particulièrement important est l’interface métal-oxyde dont une caractéristique fondamentale est le grand écart de constante diélectrique entre les deux matériaux. Les interactions images résultants, provenant des charges dans l’oxyde, assurent la liaison entre les matériaux. On montre que les propriétés du mouillage par les métaux liquides, et d’autres aspects de la stabilité de l’interface, peuvent être interprétés en termes d’un modèle simple basé sur ces interactions-images. Une simulation du réseau atomique d’autres interfaces et surfaces d’oxydes confirme ces caractères généraux, et met en évidence le rôle des défauts comme des impuretés. Les exemples discutés incluent les structures des hétéro-interfaces, les joints de grains, les défauts ponctuels et les impuretés au voisinage des surfaces d’oxydes. Le dernier exemple montre que la ségrégation d’impuretés peut stabiliser une surface jusqu’à rendre son énergie superficielle négative.