Дослідження з перших принципів структури, пружних і електронних властивостей перовскитів GeTiO3 як фероелектриків, безпечних для навколишнього середовища
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe66.6.539Ключові слова:
теорiя функцiонала густини, пружнi властивостi, електронна структура, спонтанна поляризацiя, сполука GeTiO3Анотація
Чисельно вивчено структурнi параметри, пружнi властивостi, спонтанну поляризацiю, електронну зонну структуру та густину станiв GeTiO3 в тетрагональнiй фазi з використанням наближення плоских хвиль для псевдопотенцiалу в рамках теорiї функцiонала густини. Наближення узагальненого градiєнта використано для оцiнки обмiнно-кореляцiйних енергiй. Розраховано рiвноважний параметр ґратки, об’єм елементарної комiрки, об’ємний модуль i його похiдну та зiставлено з наявними теоретичними даними. Константи пружностi, модуль Пуассона, модуль пружностi i коефiцiєнт анiзотропiї знайдено для дiапазону тискiв 0–50 ГПа. Розрахованi константи пружностi задовольняють критерiю стабiльностi Борна. За стандартом передбачення П’ю речовину можна вважати гнучкою. За величиною пружної константи i середньої швидкостi звуку оцiнено температуру Дебая. Проведено порiвняння густини станiв, зонної структури та розподiлу зарядової густини з результатами попереднiх чисельних результатiв. Розрахунок на основi фазового пiдходу Беррi показав високу спонтанну поляризацiю GeTiO3 в тетрагональнiй фазi (1,125 Кл/м2). Таким чином, дана сполука є перспективним фероелектричним матерiалом, безпечним для навколишнього середовища.
Посилання
J.M.P. Martirez, E.H. Morales, W.A. Saidi, D.A. Bonnell, A.M. Rappe. Atomic and electronic structure of the BaTiO3 (001) surface reconstruction. Phys. Rev. Lett. 109, 256802 (2012).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.256802
D.G. Schlom, L. Chen, C. Eom, K.M. Rabe, S.K. Streiffer, J. Triscone. Strain tuning of ferroelectric thin films. Annu. Rev. Mater. Res. 37, 589 (2007).
https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.37.061206.113016
H. Salehi, S.M. Hosseini, N. Shahtahmasebi. First-principles study of the electronic structure of BaTiO3 using different approximations. Chin. J. Phys. 42, 619 (2004).
D. Bagayoko, G.L. Zhao, J.D. Fan, J.T. Wang. Ab initio calculations of the electronic structure and optical properties of ferroelectric tetragonal. J. Phys.: Condens. Matter 10, 5645 (1998).
https://doi.org/10.1088/0953-8984/10/25/014
S.P. More, R.J. Topare. The review of various synthesis methods of barium titanate with the enhanced dielectric properties. In AIP Conference Proceedings 1728, 020560, (2016).
https://doi.org/10.1063/1.4946611
N.H. Hussin, M.F.M. Taib, M.H. Samat, O.H. Hassan, M.A. Yahya. Study of structural, electronic and optical properties of lanthanum doped perovskite PZT using density functional theory. Appl. Mech. Mater. 864, 127 (2017).
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.864.127
N.A. Spaldin, M. Fiebig. The renaissance of magnetoelectric multiferroics. Science 309, 391 (2005).
https://doi.org/10.1126/science.1113357
P. Hohenberg, W. Kohn. Inhomogeneous electron gas. Phys. Rev. 136, B864 (1964).
https://doi.org/10.1103/PhysRev.136.B864
W. Kohn, L.J. Sham. Self-consistent equations including exchange and correlation effects. Phys. Rev. 140, A1133 (1964).
https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133
M.F.M. Taib, M.K. Yaakob, F.W. Badrudin, T.I.T. Kudin, O.H. Hassan, M.Z.A. Yahya. First-principles calculation of
the structural, elastic, electronic and lattice dynamics of GeTiO3. Ferroelectrics 452, 122 (2013).
https://doi.org/10.1080/00150193.2013.841525
M.K. Yaakob, M.F.M. Taib, M.A. Yahya. First principle study of dynamical properties of a new perovskite material based on GeTiO3. Appl. Mech. Mater. 501, 352 (2012).
https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.501.352
M.F.M. Taib, M.K. Yaakob, M.S.A. Rasiman, F.W. Badrudin, O.H. Hassan, M.Z.A. Yahya. Comparative study of cubic Pm3m between SnZrO3 and PbZrO3 by first principles calculation. In 2012 IEEE Colloquium on Humanities, Science and Engineering, 713 (2012).
A.I. Lebedev. Ab initio calculations of phonon spectra in ATiO3 perovskite crystals (A = Ca, Sr, Ba, Ra, Cd, Zn, Mg, Ge, Sn, Pb). Phys. Solid State 51, 362 (2009).
https://doi.org/10.1134/S1063783409020279
C. Ronald, P. Ganesh. Class of pure piezoelectric materials. U.S. Patent No. 8,039,131 (2011).
P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra et al. Quantum espresso: A modular and open-source software
project for quantum simulations of materials. J. Phys.: Condens. Matter 21, 395502 (2009).
J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerho. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
D.R. Hamann, M. Schluter, C. Chiang. Norm-conserving pseudopotentials. Phys. Rev. Lett. 43, 1494 (1979).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.43.1494
H.J. Monkhorst, J.D. Pack. Special points for Brillouinzone integrations. Phys. Rev. B 13, 5188 (1976).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188
R. Rafaele, and D. Vanderbilt. Theory of polarization: A modern approach. In: Physics of Ferroelectrics. Topics in Applied Physics 105, 31 (2007).
F.D. Murnaghan. The compressibility of media under extreme pressures. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 30, 244 (1944).
https://doi.org/10.1073/pnas.30.9.244
M.F.M. Taib, M.K. Yaakob, F.W. Badrudin, M.S.A. Rasiman, T.I.T. Kudin, O.H. Hassan, M.Z.A. Yahya. First-principles comparative study of the electronic and optical properties of tetragonal (P4mm) ATiO3 (A = Pb, Sn, Ge). Integrated Ferroelectrics 155, 23 (2014).
https://doi.org/10.1080/10584587.2014.905105
J.H. Weiner. Statistical Mechanics of Elasticity. (Courier Corporation, 2012) [ISBN: 0-486-42260-7].
S. Piskunov, E. Heifets, R. Ieglitis, G. Borstel. Bulk properties and electronic structure of SrTiO3, BaTiO3, PbTiO3
perovskites: an ab initio HF/DFT study. Comput. Mater. Sci. 29, 165 (2004).
https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2003.08.036
R.W. Hill. The elastic behavior of a crystalline aggregate. Proc. Phys. Soc. 65, 349 (1952).
https://doi.org/10.1088/0370-1298/65/5/307
W. Voigt. Lehrbuch der Kristallphysik. (Vieweg + Teubner, 1966) [ISBN: 978-3-663-15884-4].
https://doi.org/10.1007/978-3-663-15884-4
A. Reuss. Berbcksichtigung der elastischen formanderung in der plastizitatstheorie. J. Appl. Math. Mech. 10, 266 (1930).
https://doi.org/10.1002/zamm.19300100308
H. Fua, D. Lib, F. Penga, T. Gaoc, X. Cheng. Ab initio calculations of elastic constants and thermodynamic properties of NiAl under high pressures. Comput. Mater. Sci. 44, 774 (2008).
https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2008.05.026
S.F. Pugh. XCII. Relations between the elastic moduli and the plastic properties of polycrystalline pure metals. Phil. Magaz. J. of Sci. 45, 823 (1954).
https://doi.org/10.1080/14786440808520496
S.I. Ranganathan, M. Ostoja-Starzewski. Universal elastic anisotropy index. Phys. Rev. Lett. 101, 055504 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.055504
R. Gaillac, P. Pullumbi, F. Coudert. ELATE: an open-source online application for analysis and visualization of elastic tensors. Phys.: Condens. Matter 28, 275201 (2016). https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/27/275201
P. Ravindran, L. Fast, P.A. Korzhavyi, B. Johansson. Density functional theory for calculation of elastic properties of orthorhombic crystals: Application to TiSi2. J. Appl. Phys. 84, 4891 (1998). https://doi.org/10.1063/1.368733
O.L. Anderson. A simplifi ed method for calculating the debye temperature from elastic constants. J. Phys. Chem. Solids 24, 909 (1963). https://doi.org/10.1016/0022-3697(63)90067-2
S. Edward, O.L. Anderson, N. Soga. Elastic Constants and Their Measurement (McGraw-Hill, 1973) [ISBN: 978-0-07-055603-4].
J. Callaway. Model for lattice thermal conductivity at low temperatures. Phys. Rev. 113, 1046 (1959). https://doi.org/10.1103/PhysRev.113.1046
N.H. Hussin, M.F.M. Taib, N.A. Johari, F.W. Badrudin, O.H. Hassan, M.Z.A. Yahya. Establishment of structural and elastic properties of titanate compounds based on Pb, Sn and Ge by fi rst-principles calculation. Appl. Mech. Mater. 510, 57 (2014). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.510.57
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
