鈣鈦礦型鐵電材料電子結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)探討

阮朝帥 貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 貴州畢節(jié) 551700

鈣鈦礦型鐵電材料電子結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)探討

阮朝帥 貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 貴州畢節(jié) 551700

鈣鈦礦型鐵電材料是目前應(yīng)用較為普遍的一類功能材料。若想實現(xiàn)對鐵電性的合理運用及其新功能的挖掘，都需要對其內(nèi)在本質(zhì)進行深入研究，而其本質(zhì)問題還是現(xiàn)階段相關(guān)專家學(xué)者需要主要研究的重點問題。本文就鈣鈦礦型鐵電材料電子結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)進行了研究探討。

鈣鈦礦型鐵電材料；電子結(jié)構(gòu)；物理性質(zhì)

0　前言

鐵電材料是目前在熱電攝像技術(shù)，信息存儲、壓電點火等方面普遍運用的一種材料，具有介電性質(zhì)、壓電效應(yīng)等物理特性。而鈣鈦礦型鐵電材料是其中尤為重要的一種材料，在鐵電材料研究課題中，這一類型的鐵電材料研究課題也是研究最為廣泛的課題。要想充分發(fā)揮鐵電材料的價值，實現(xiàn)對新功能的進一步挖掘，還需要人們對鐵電性內(nèi)在本質(zhì)展開更加深入的研究。

1　鈣鈦礦型鐵電材料相關(guān)概述

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中正氧八面體存在六個二重軸、四個三重軸、三個四重軸。由于鈣鈦礦鐵電材料的B位原子會沿著三個中的其中一個高對稱方向，偏離其正氧八面體中心位置進行位移，因而使自發(fā)極化現(xiàn)象的產(chǎn)生也趨于同樣方向。在1942年，人們發(fā)現(xiàn)了第一種鈣鈦礦型鐵電材料，即鈦酸鋇，這種材料被發(fā)現(xiàn)具有極強的壓電性，但是缺乏穩(wěn)定的頻率。隨后，在1954年，人們發(fā)現(xiàn)了另一種更加優(yōu)質(zhì)的鈣鈦礦型鐵電材料，即鋯鈦酸鉛固溶液，與鈦酸鋇相比，這種材料的壓電性能、機電耦合系數(shù)、穩(wěn)定性等有更加良好，這也使鈣鈦礦型鐵電材料開始得到了廣泛的研究。目前，多鐵性材料的研究已經(jīng)成了人們的研究重點，而運用較為普遍的BaTiO3等鐵電材料，都是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物，因而，這一材料的研究重點也更加傾向于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)化合物中， PZNT等鐵電材料也成為了專家學(xué)者的重要研究對象。

2　簡單鈣鈦礦鐵電材料價鍵電子結(jié)構(gòu)計算

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物是對強關(guān)聯(lián)多電子相互作用進行研究的模型系統(tǒng)，因其主要物性本質(zhì)與其電子結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)密切，因而，需要對其電子結(jié)構(gòu)進行深入研究。在簡單鈣鈦礦鐵電材料立方相價鍵電子結(jié)構(gòu)的計算中，首先需要為立方相鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)建立原子坐標。由于其一般通式為ABO3， A在立方晶胞頂點為之，陽離子處于面心。因而，在原子坐標的建立中，將A點坐標設(shè)置為（0，0，0），即直角坐標系坐標原點。 B點在立方相鈣鈦礦晶體的立方中心處BO6八面體結(jié)構(gòu)，因而，可以將其坐標設(shè)置為（0.5，0.5，0.5）。另外，其立方結(jié)構(gòu)只能在Curie溫度之上得以保持，若是低于此溫度，立方結(jié)構(gòu)就會發(fā)生多種結(jié)構(gòu)相變。 O1，O2， O3的坐標分別設(shè)置為（0.5，0.5，0）、（0.5，0，0.5）以及（0，0.5，0.5）。

在進行立方相價鍵電子結(jié)構(gòu)計算的過程中，主要遵循EET計算程序，從立方晶胞里選出D（nα）以及Iα分別為與12、與 24、與8、與16、與6的五個化學(xué)鍵，用作考察使用。同時，選擇BaTiO3，B aZrO3，PbTiO3，PbZrO3，KNbO3，NaNbO3，CaTiO3，SrTiO3這八種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料。運用鍵距差計算方法，能夠?qū)⑦@些材料的所有鍵上共價電子數(shù)計算出來，并獲得ABO3的價鍵電子結(jié)構(gòu)。在通過計算其理論鍵距、實驗鍵距的差值，運用EET理論進行分析，最終得到符合要求的所有原子各雜階組合。據(jù)計算結(jié)果表明，組成晶體的原子種類，對化合物價鍵電子結(jié)構(gòu)具有顯著的影響。若是晶體結(jié)構(gòu)相同，則價鍵電子分布具有一定的相似性。

形成晶體后原子的電荷較難確定，為能夠獲得ABO3所有原子有效價電子數(shù)，可以運用EET理論進行計算。經(jīng)過計算，可以看出，EET有效電子數(shù)與玻恩有效電子數(shù)之間存在對應(yīng)關(guān)系，且都與自由離子電荷偏離。由于前者的計算相對簡單，因而更能夠為鈣鈦礦型鐵電材料電子結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)的研究提供一種便捷的方法。

經(jīng)過EET理論的運用和一系列計算，可以得出結(jié)論：運用EET，不僅可以在鈣鈦礦型化合物的研究中，將其特殊價鍵特征表述出老，同時也能夠為與電荷有序相關(guān)的鐵電性研究提供便捷途徑，為這一類鐵電材料的物理性質(zhì)研究提供了有效的工具。

3　鈣鈦礦型單相多鐵材料鐵酸鉍價鍵電子結(jié)構(gòu)計算

多鐵性材料主要是擁有兩種或以上基本鐵性的材料，而鐵酸鉍則是多鐵材料的一種。在室溫以上，這種材料能夠同時展現(xiàn)出鐵電性和磁性，在此溫度以下，便會呈現(xiàn)菱形畸變鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。通過幾何知識、其晶體結(jié)構(gòu)等，能夠獲得鐵酸鉍的實驗鍵距和等同鍵數(shù)。運用與簡單鈣鈦礦鐵電材料相同的計算步驟進行計算，采用EET與BLD理論進行計算，能夠獲得符合EET判據(jù)的價鍵電子結(jié)構(gòu)。通過研究和計算，可以發(fā)現(xiàn)， Fe與O之間會出現(xiàn)十分強烈的共價鍵。

通過對其電子結(jié)構(gòu)的計算，能夠?qū)ψ园l(fā)極化提出半定量討論。假設(shè)若是鐵原子順著［111］方向移動，是自發(fā)極化產(chǎn)生的唯一原因，且只考慮因Fe-O變化所產(chǎn)生的晶胞凈自發(fā)極化情況。會初步得出Fe-O鍵共價性加強的結(jié)論。由此可見，這便是鐵電性產(chǎn)生的主要原因。且運用EET理論對鐵酸鉍進行價鍵電子結(jié)構(gòu)計算后，能夠得出結(jié)論：在運用EET理論研究多鐵性材料時，其中蘊含的原子狀態(tài)雜化的思想能夠使鐵電性與磁性自然共存，因而，在基于價鍵理論進行這一課題的研究時，并不會出現(xiàn)磁性與鐵電性互斥的情況。

4　結(jié)論

本文主要是基于EET理論，通過對鈣鈦礦型鐵電材料電子結(jié)構(gòu)相變中出現(xiàn)的不同晶體結(jié)構(gòu)進行研究，采用BLD理論得出這些材料的價電子結(jié)構(gòu)。其中，通過對簡單鈣鈦礦鐵電材料以及鈣鈦礦型多鐵材料鐵酸鉍價鍵電子結(jié)構(gòu)的計算，得出了EET理論在鐵電材料研究中，能夠獲得十分有意義的結(jié)果，論證了其在鐵電材料物理性質(zhì)等方面研究中的可行性和必要性，以為日后其他晶體結(jié)構(gòu)以及其他材料物理效應(yīng)的研究提供有效理論依據(jù)。

［1］唐春紅，張俊廷，劉培生，林長圣.鈣鈦礦型PbZrO_3電子能帶結(jié)構(gòu)的第一性原理研究［J］.南京大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，1（1）：15-19

［2］殷江，袁國亮，劉治國.鐵電材料的研究進展［J］.中國材料進展，2012，3（3）：26-43

［3］丁磊，王聰，褚立華，納元元，閆君.反鈣鈦礦Mn_3AX化合物的晶格、磁性和電輸運性質(zhì)的研究進展［J］.物理學(xué)報，2011，9（9）：882-895