Ferroelektryczne przejście fazowe w krysztale tytanianu baru. Obliczenia ab initio metodą FP-LAPW. Cz. I. Analiza rozkładu gęstości elektrycznej

• Autorzy: Koleżyński A.

Warianty tytułu

EN

Ferroelectric phase transition in barium titanate crystal. FP-LAPW ab initio calculations

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem prezentowanej pracy, była próba symulacji ferroelektrycznego przejścia fazowego w krysztale tytanianu baru za pomocą obliczeń ab initio, wykonanych z wykorzystaniem pakietu FP-LAPW (Full Potential Linearized Augmented Plane Wave) Wien97. Dokonano analizy zmian składowych energii całkowitej (energii elektronów rdzenia i elektronów walencyjnych, energii potencjalnej), zmian populacji elektronów w sferach muffin-tin i w obszarze międzywęzłowym, oraz szczegółowej analizy rozkładów gęstości elektronowej w komórce elementarnej, ze szczególnym uwzględnieniem zmian jednowymiarowych rozkładów gęstości w wybranych kierunkach (wiązania Ti-O, Ba-O, Ti-Ba oraz kierunki (110)), pozwalającej na zbadanie zmian przestrzennego rozkładu ładunku w komórce elementarnej w trakcie przemiany prowadzącej do obniżenia symetrii kryształu od symetrii regularnej Fm-3m paraelektrycznej wysokotemperaturowej fazy tytanianu baru, do symetrii tetragonalnej P4mm i równocześnie do polaryzacji ładunku i pojawienia się własności ferroelektrycznych. Przedstawione dane potwierdzają nasze wcześniejsze wyniki (Tkacz-Śmiech i in., 2000,2003; Koleżyń-ski, Tkacz-Śmiech, 2004) wskazujące na istotną rolę lokalizacji ładunku w obszarze pomiędzy tytanem i tlenem w kierunku osi z i tworzenia się wiązania n pomiędzy elektronami 3 d tytanu i 2p tlenu, oraz znikomy wpływ oddziaływań atomów tlenu i tytanu z barem na przemianę fazową i pojawienie się własności ferroelektrycznych. W drugiej części pracy zaprezentowane zostaną wyniki symulacji przejścia fazowego z punktu widzenia wpływu deformacji komórki elementarnej i obniżenia symetrii na strukturę pasmową, charakter poszczególnych pasm, populacje elektronowe w poszczególnych pasmach oraz indywidualnie wybranych punktach sieci odwrotnej o wysokiej symetrii, a także wpływ ferroelektrycznego przejścia fazowego na zmiany funkcji gęstości stanów. Dodatkowo przedstawiona zostanie dyskusja otrzymanych wyników i charakteru oraz własności wiązań chemicznych występujących w krysztale tytanianu baru, w świetle teorii orbitali molekularnych.

EN

In this paper, the results of the ferroelectric phase transition simulation in barium titanate, by means of ab initio calculations, using FP-LAPW (Full Potential Linearized Augmented Plane Wave) method (Wien97 program) are presented. The paper consists of two parts - in the first one here, the detailed analysis of the calculated energy eigenvalues, potential energy terms, electron populations and electron density distribution together with their changes during gradual crystal cell deformation from regular Fm-3m paraelectric, to P4mm tetragonal ferroelectric barium titanate phase are analyzed. The obtained results are in agreement with our previous crystal-chemical analysis (Tkacz-Śmiech et al. 2003) and show the importance of the charge localization process in region of Ti-O bond along z axis, which leaves the Ti-O bonds lying in xy plane almost intact. The second part of this paper will be focused mainly on the influence of the ferroelectric phase transition on the changes of the band structure, bands character and DOS and their connection with molecular picture of chemical bond in barium titanate crystal.

Słowa kluczowe

PL

ferroelektryczne przejście fazowe; kryształ tytanianu baru; ab initio; pakiet FP-LAPW; Full Potential Linearized Augmented Plane Wave; Wien97; rozkład gęstości elektronowej

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe AKAPIT
• Czasopismo: Informatyka w Technologii Materiałów
• Rocznik: 2004
• Tom: T. 4, Nr 4
• Strony: 144--153
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Koleżyński A.

• Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Akademiaq Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Bibliografia

• Błaha, P., Schwarz, K., Luitz, J., 1999, WIEN97, A full Potential Linearized Augmented Plane Wave Package for Calculating Crystal Properties, Karlheinz Schwarz, Techn. Universität Wien, 1SBN3-9501031-0-4.
• Chen, Z.X., Liu, C.G., Chen Y., Jiang, Y.S, 2001, Theoretical investigation on BaTi03 with Periodic Density Functional Theory BLYP Method, Chem. Phys., 270, 253-261.
• Cohen, R., Krakauer, H., 1990, Lattice dynamics and origin of ferroelectricity in BaTi03: Linearized-augmented-plane- wave total-energy calculations, Phys. Rev. B, 42, 6416- 6423.
• Cohen, R., 1992, Origin of Ferroelectricity in Oxide Ferroelectrics and the Difference in Ferroelectric Behavior of BaTi03 and PbTiOj, Nature, 358, 1366-138.
• Cohen, R., Krakauer, H., 1992, Electronic Structure Studies of the Differences in Ferroelectric Behavior of BaTi03 and PbTi03, Ferroelectrics, 136, 65-83.
• Edwards. J.W., Speiser, R., Johnston, H.L., 1951, Structure of Barium Titanate at Elevated Temperatures, J. Am. Chem. Soc.,73, 2934-2935.
• King-Smith, R.D., Vanderbilt, D., 1992, A First-Principles Pseudopotential Investigation of Ferroelectricity in Barium Titanate, Ferroelectrics, 136, 85-94.
• King-Smith, R.D., Vanderbilt, D., 1993, Theory of Polarization of Crystalline Solids, Phys. Rev. B, 47, 1651-1654.
• King-Smith, R.D., Vanderbilt, D., 1994, First-Principles Investigation of Ferroelectricity in Perovskite Compounds, Phys. Rev. B, 49, 5828-5844.
• Koleżyński, A., 2004, Obliczenia ab initio metodą FP-LAPW w inżynierii materiałowej. Energia wiązania i równanie stanu w krysztale BaTi03, Informatyka w Technol. Mater., 2, 48-55.
• Koleżyński, A., Tkacz-Śmiech, K., 2004, From Molecular Picture to the Band Structure of Cubic and Tetragonal Barium Titanate, Ferroelectrics, (praca przyjęta do druku).
• Kwei, G.H., Lawson, A.C., Billinge, S.J.L., Cheong S.-W., 1993, Structures of the Ferroelectric Phases of Barium Titanate, J. Phys.Chem., 97, 2368-2377.
• Lines, M E, Glass, A M, 1977, Principles and Applications of Ferroelectrics and Related Materials, Oxford, Clarendon Press.
• Perdew, J.P., Burke, K., Ernzerhof, M., 1996, Generalized Gradient Approximation Made Simple, Phys. Rev. Lett., 11, 3865-3868.
• Shirane, G, Hoshino, S, 1951, Phase Transition in Lead Titanate, J. Phys. Soc., 6, 265-270.
• Tkacz-Śmiech, K., Koleżyński, A., Ptak, W.S., 2000, Chemical Bond in Ferroelectric Perovskites, Ferroelectrics, 237,57- 64.
• Tkacz-Śmiech, K., Koleżyński, A., Ptak, W.S., 2003, Crystal- Chemical Aspects of Phase Transitions in Barium Titanate, Solid State Comm., 127, 557-562.
• Weinert, M., Wimmer, E., Freeman, A.J., 1982, Total-Energy All- Electron Density Functional Method for Bulk Solids and Surfaces, Phys. Rev. B, 26, 4571-4578.
• Weyrich, K.H., 1990, „Frozen” Phonon Calculations: Lattice Dy-namics and Instabilities, Ferroelectrics, 104, 183-194.
• Weyrich, K.H., Madenach, P., 1990, „Frozen” Phonon LMTO- Calculations for Ferroelectric Perovskites", Ferroelectrics, 111, 9-14.