Ion Migration Study on YAlO3-perovskite through Atomistic Simulations

Abstract

Abstract. In this work, we presented an atomistic simulation study on YAlO₃ perovskite. We simulated the reported crystal structure through the energy minimization process from coulombic and Buckingham potentials with the General Utility Lattice Program (GULP). We determined the formation energy for all point pair defects presented in the system. We found that the anionic Frenkel together with Schottky pair defects are the main defects in the YAlO₃ perovskite.

Additionally, we performed several energy profile migrations for each ion, and we determined that oxygen migration was the favored migration via the vacancy-vacancy path with 98.70 kJ/mol. In the end, we performed a series of calculations about doping energy, and we calculated that Ca²⁺ is the best aliovalent ion for doping YAlO₃ compound, which involves the minimum doping energy while the aliovalent doping increases the oxygen vacancy defects. We suggested that these atomistic simulations could be used as a tool in the design or optimization of new materials for developing solid electrolytes.

Resumen. En este trabajo presentamos un estudio hecho por medio de simulaciones atomísticas para el compuesto YAlO₃ con estructura perovskita. La estructura se simuló por medio de la minimización energética de los potenciales de Coulomb y de Buckingham. Se determinó la energía de formación para todos los pares de defectos puntuales que puede presentar el sistema y encontramos que los defectos tipo Frenkel aniónico y los Schottky son los principales en el compuesto de estudio. También determinamos los perfiles energéticos de migración para los iones en el sistema y encontramos que la migración de menor energía corresponde a la de oxígeno vía vacancia-vacancia con una energía de 98.70 kJ/mol. Hacia el final del artículo, presentamos los cálculos referentes a la energía de dopaje y encontramos que el mejor ion para dopar al compuesto YAlO₃ es el ion Ca²⁺; esto debido a la menor energía de dopaje involucrada y el hecho de que el dopaje aliovalente incrementa las vacancias de oxígeno en el sistema. Sugerimos que este tipo de estudios pueden ser una herramienta muy versátil en el desarrollo y optimización de nuevos electrolitos sólidos.