Theoretical and experimental study of the niobium dioxide electronic structure

Максим Дмитриевич Манякин; Сергей Иванович Курганский; Юлия Сергеевна Какулия; София Сергеевна Титова; Ольга Александровна Чувенкова; Сергей Юрьевич Турищев

doi:10.17308/kcmf.2025.27/12492

Максим Дмитриевич Манякин ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-2260-6233
Сергей Иванович Курганский ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-4202-0953
Юлия Сергеевна Какулия ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-0953-9024
София Сергеевна Титова ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-6860-401X
Ольга Александровна Чувенкова ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-5701-6909
Сергей Юрьевич Турищев ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-3320-1979

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/12492

Ключевые слова: компьютерное моделирование, диоксид ниобия, электронная структура, плотность состояний, XANES, XPS, остовная дырка, рутил

Аннотация

В работе проводится исследование электронно-энергетического строения диоксида ниобия. Методом линеаризованных присоединенных плоских волн выполнено компьютерное моделирование электронного строения NbO₂ с кристаллической структурой рутила. Рассчитаны энергетическая зонная структура, полная и парциальные плотности электронных состояний.

С использованием синхротронного и лабораторного источников рентгеновского излучения проведены экспериментальные исследования электронного строения образца NbO₂. Зарегистрированы рентгеновский фотоэлектронный спектр валентной области и субвалентных состояний NbO₂ и спектр ближней тонкой структуры K-края поглощения рентгеновского излучения атома кислорода в NbO₂.

Проведено моделирование спектров ближней тонкой структуры K-края поглощения рентгеновского излучения атомов ниобия и кислорода. Вычисленные спектры позволяют надежно интерпретировать данные синхротронного эксперимента. Показано, что для NbO₂ спектр, рассчитанный для основного энергетического состояния без применения метода моделирования суперъячейки и остовной дырки, демонстрирует высокое согласие с экспериментом

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Максим Дмитриевич Манякин, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф-м. н., н. с. в области физики совместной научно-образовательной лаборатории «Атомное и электронное строение функциональных материалов» Воронежского государственного
университета и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Сергей Иванович Курганский, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., профессор кафедры физики твердого тела и наноструктур, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Юлия Сергеевна Какулия, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

преподаватель кафедры общей физики, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

София Сергеевна Титова, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

преподаватель кафедры общей физики, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Ольга Александровна Чувенкова, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

к. ф.-м. н., с. н. с., совместная научно-образовательная лаборатория «Атомное и электронное строение функциональных материалов» Воронежского государственного университета и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Сергей Юрьевич Турищев, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет», Университетская пл., 1, Воронеж 394018, Российская Федерация

д. ф.-м. н., доцент, заведующий кафедрой общей физики, Воронежский государственный университет (Воронеж, Российская Федерация)

Литература

Zhou Y., Ramanathan S. Mott memory and neuromorphic devices. Proceedings of the IEEE. 2015;103(8): 1289–1310. https://doi.org/10.1109/JPROC.2015.2431914

Joshi T., Cirino E., Morley S. A., Lederman D. Thermally induced metal-to-insulator transition in NbO2 thin films: modulation of the transition temperature by epitaxial strain. Physical Review Materials. 2019;3: 124602. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.124602

Music D., Krause A. M., Olsson P. A. T. Theoretical and experimental aspects of current and future research on NbO2 thin film devices. Crystals. 2021;11: 217. https://doi.org/10.3390/cryst11020217

Manning T. D., Parkin I. P., Pemble M. E., Sheel D., Vernardou D. Intelligent window coatings: atmospheric pressure chemical vapor deposition of tungsten-doped vanadium dioxide. Chemistry of Materials. 2004;16(4): 744–749. https://doi.org/10.1021/cm034905y

Fajardo G. J. P., Howard S. A., Evlyukhin E., … Piper L. F. J. Structural phase transitions of NbO2: bulk versus surface. Chemistry of Materials. 2021;33: 1416−1425. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c04566

Park J., Hadamek T., Posadas A. B., Cha E., Demkov A. A., Hwang H. Multi-layered NiOy/NbOx/NiOy fast drift-free threshold switch with high Ion/Ioff ratio for selector application. Scientific Reports. 2017;7: 4068. https://doi.org/10.1038/s41598-017-04529-4

Shapiro S. M., Axe J. D., Shirane G., Raccah P. M. Neutron scattering study of the structural phase transition in NbO2. Solid State Communications. 1974;15: 377–381. https://doi.org/10.1016/0038-1098(74)90780-7

Posternak M., Freeman A. J., Ellis D. E. Electronic band structure, optical properties, and generalized susceptibility of NbO2. Physical Review B. 1979;19: 6555–6563. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.19.6555

Eyert V. The metal-insulator transition of NbO2: an embedded Peierls instability. Europhysics Letters. 2002;58: 851–856. https://doi.org/10.1209/epl/i2002-00452-6

Bolzan A. A., Fong C., Kennedy B. J., Howard C. J. Structural studies of rutile-type metal dioxides. Acta Crystallographica. 1997;B53: 373–380. https://doi.org/10.1107/S0108768197001468

O’Hara A., Nunley T. N., Posadas A. B., Zollner S., Demkov A. A. Electronic and optical properties of NbO2. Journal of Applied Physics. 2014;116: 213705. https://doi.org/10.1063/1.4903067

Jiang N., Spence J. C. H. Electron energy-loss spectroscopy of the O K edge of NbO2, MoO2, and WO2. Physical Review B. 2004;70: 245117. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.70.245117

Blaha P., Schwarz K., Tran F., Laskowski R., Madsen G.K.H., Marks L.D. WIEN2k: An APW+lo program for calculating the properties of solids. The Journal of Chemical Physics. 2020;152: 074101. https://doi.org/10.1063/1.5143061

Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Physical Review Letters. 1996;77: 3865-3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865

Manyakin M. D., Kurganskii S. I. Electronic structure of germanium dioxide with rutile structure according to ab initio computer simulation data. Condensed Matter and Interphases. 2023;25(4): 587–593. https://doi.org/10.17308/kcmf.2023.25/11478

Manyakin M. D., Kurganskii S. I. Electronic structure of stishovite SiO2. Journal of Physics: Conference Series. 2019;1352: 012032. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1352/1/012032

Turishchev S., Schleusener A., Chuvenkova O., … Sivakov V. Spectromicroscopy studies of silicon nanowires array covered by tin oxide layers. Small. 2023;19(10): 2206322. https://doi.org/10.1002/smll.202206322

https://www.sigmaaldrich.com/RU/en

Lebedev A. M., Menshikov K. A., Nazin V. G., Stankevich V. G., Tsetlin M. B., Chumakov R. G. NanoPES photoelectron beamline of the Kurchatov synchrotron radiation source. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2021;15(5): 1039–1044. https://doi.org/10.1134/S1027451021050335

Moulder J. F., Stickle W. F., Sobol P. E., Bomben K. D. Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy. Physical Electronics Division. Eden Prairie, Minnesota: Perkin-Elmer Corporation; 1992. 261 p.

Crist B. V. Handbook of Mmonochromatic XPS Spectra: the elements of native oxides. Mountain View: Wiley; 2000. 500 p.

Xu J. H., Jarlborg T., Freeman A. J. Self-consistent band structure of the rutile dioxides NbO2, RuO2, and IrO2. Physical Review B. 1989;40: 7939–7949. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.40.7939

Frati F., Hunault M. O. J. Y., de Groot F. M. F. Oxygen K‑edge X‑ray absorption spectra. Chemical Reviews. 2020;120(9): 4056–4110. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00439

Kuznetsov M. V., Razinkin A. S., Shalaeva E. V. Photoelectron spectroscopy and diffraction of surface nanoscale NbO/Nb(110) structures. Journal of Structural Chemistry. 2009;(50): 514–521. https://doi.org/10.1007/s10947-009-0079-y

Beatham N., Orchard A. F. X-ray and UV photoelectron spectra of the oxides NbO2, MoO2 and RuO2. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 1979;16: 77–86. https://doi.org/10.1016/0368-2048(79)85006-9

Fujiwara K., Tsukazaki A. Formation of distorted rutile-type NbO2, MoO2, and WO2 films by reactive sputtering. Journal of Applied Physics. 2019;125: 085301. https://doi.org/10.1063/1.5079719

Wahila M. J., Paez G., Singh C. N., … Piper L. F. J. Evidence of a second-order Peierls-driven metal-insulator transition in crystalline NbO2. Physical Review Materials. 2019;3: 074602. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials. 3.074602

Berman S., Zhussupbekova A., Boschker J. E., … Zhussupbekov K. Reconciling the theoretical and experimental electronic structure of NbO2. Physical Review B. 2023;108: 155141. https://doi.org/10.1103/PhysRevB. 108.155141

Arnold A., Tao R., Klie R. F. Comparison of FEFF9 results of metallic niobium and niobium oxides to EELS. Journal of Undergraduate Research. 2012;5(1): 38–41. https://doi.org/10.5210/JUR.V5I1.7508

Bach D., Schneider R., Gerthsen D., Verbeeck J., Sigle W. EELS of niobium and stoichiometric niobium-oxide phases – part I: plasmon and near-edges fine structure. Microscopy and Microanalysis. 2009;15(6): 505–523. https://doi.org/10.1017/S143192760999105X

Liang Y., Vinson J., Pemmaraju S., Drisdell W. S., Shirley E. L., Prendergast D. Accurate X-ray spectral predictions: an advanced self-consistent-field approach inspired by many-body perturbation theory. Physical Review Letters. 2017;118: 096402. https://doi.org/10.1103/physrevlett.118.096402

Sahiner M. A., Nabizadeh A., Rivella D., Cerqueira L., Hachlica J., Morea R., Gonzalo J., Woicik J. C. Subtle local structural variations in oxygen deficient niobium germanate thin film glasses as revealed by x-ray absorption spectroscopy. Journal of Physics: Conference Series. 2016;712: 012103. https://doi.org/10.1088/1742-6596/712/1/012103