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BiFeO3 中各离子在铁电相变中作用本质的第一性原理研究

第一性原理

&M:物理学报J%卷

发的有利于铁电畸变的效应之一!

[&&]参数相比照,如表&所示!两者间的误差很小,不

足以改变物质性质,因此计算结果是可信的!

"#结构与计算方法

[%—&&]

实验上通过$射线和中子衍射,确定了’()*+,铁电相的结构是由立方钙钛矿结构发生高度

表&结构参数’GI(GL)!("’)’(("’))*!,"结构’()*+,的理论结构参数与实验结构参数

@@6理论计算结果

J#K;JJ%#"&J

(;#;&;,;#;&;,;#;&;)(;#""%,;#""%,;#""%)[&&]

实验结果

J#F,JM#,J(;,;,;)(;#""&,;#""&,;#""&)图畸变而形成的菱方对称性结构,其空间群为!,",

&为!,"铁电相的晶胞结构图

BiFeO3 中各离子在铁电相变中作用本质的第一性原理研究

!

图&

!,"结构’()*+,的晶胞结构图

我们使用-..*/012公司的345*0(4/26578(9:#;软

件中的<-6=>?模块,基于密度泛函理论,采用广义梯度近似法的自旋极化形式(@@6)来处理交换关联能,采用赝势平面波法处理外势场,对于铁电反铁磁相和可能的高温顺电相的电子结构进行了高精度计算!在能量、能带、37//(A*B布居分布,态密度和电子密度差的计算中选择超软赝势法,设定截止能为,%;*C,

自洽计算的公差精度为&#;D&;EF*CG459H,倒易空间#点分布间距为;#;:IE&;在计算’90B有效电荷时,选择模守恒赝势法,截止能为F,;*C,自洽计算的公差精度为&#;D&;EJ*CG459H,倒易空间#点分布间距为;#;KIE&!

由于’()*+,的铁电<70(*温度太高,其顺电相的结构并没有被完全确定,不同的实验结果给出不

同的空间群结构

[&"],如$%%空间群[&,]

和&:G%"%空间群[&:]

!理论研究文献主要采用了!"结构和

$%%结构作为对比[&J—&K]

!本文认为铁电结构是通过立方结构畸变而来的,而且其高温结构很有可能是$%%空间群,因此选择了$%%结构为对照结构!

,#电子结构的计算结果与分析

对’()*+,的铁电相,固定其晶格的空间群对称性,将晶格常数和原子分数坐标值作为变量,进行几何优化运算而得到结构参数,并与实验测得的结构

+

(F()(;#JJF,;#M"%,;#,F:)

(;#J,%,;#M,,,;#,MJ)

!"#"电极化分析

由于’()*+,铁电相的空间群为!,",其三重旋转轴为[&&&]方向,铁电性要求其电极化方向在任何对称操作下都不变化,因此极化轴即为此三重旋转

轴!如图"所示,!,"铁电相单胞是通过$%%结构发生两种畸变转化而成!一种是立方钙钛矿结构中’(原子组成的立方晶格与)*+F八面体沿着体对角线[&&&]

方向发生相对位移,图中用黑色细箭头表示;另一种是)*+F八面体以体对角线[&&&]为转轴发生倾斜偏转,以白色宽箭头表示,同一!,"相晶

胞内两个类钙钛矿立方晶胞的)*+F八面体旋转方向相反,对铁电畸变的总贡献为零!所以’()*+,的铁电畸变来自于’(和+的相对位移,从这个角度讲,’()*+,为位移型铁电相变!

本文计算了’()*+,铁电相各离子的’90B有效电荷(’><2),得到’(,)*,+的’><2张量如表"所示,其中’><2用)!表示,在这里只给出张量对角线上的**,++和,,值!由此计算得’()*+,沿[&&&]的理论极化强度约为%J!<G.H",

与薄膜实验的结果一致[&%],远大于’(3B+[]

,的理论值;#MJ!<G.H"&M!

表"

!,"结构’()*+,各离子的’><2张量

)!编号**++,,+&E"#;;K:"E&#&,,M:E&#KJ::F+"E&#&:,J:E"#:&MJ,E&#,FKM:+,E&#;K;JME&#&;;K&E"#K&%,J+:E&#;K;K&E"#",:&;E&#KJF:K+JE"#;;K:ME&#F&:"ME&#,F%FK+FE&#&:,J,E&#;J:MFE"#K&%F%)*

&;#M%"MF&#;K;J"&#;:,;J)*"&#;%:%J;#MJKJM;#M%K:F’(&:#J;;,;J#J;&KJ:#KMM":’(

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