Xác định hàm thế năng của mô hình vỏ-lõi cho vật liệu sắt điện PbTiO3 và ứng dụng trong tính toán độ phân cực

Engineering and Technology For Sustainable Development - Tập 31 Số 2 - Trang 72-78 - 2021
The Quang Tran1,2, Van Hoi Nguyen1, Hoang Linh Nguyen1, Van Thanh Vuong1, Van Truong Do1
1Institute of Mechanical Engineering, Hanoi University of Science and Technology, Hanoi, Vietnam
2Faculty of Technology, Thai Binh University, Thai Binh, Vietnam

Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, mô hình vỏ-lõi được sử dụng để xác định phân cực điện cho vật liệu sắt điện PbTiO3, trong đó, các hàm thế năng tương tác giữa các nguyên tử được xác định bằng phương pháp thử và làm cho khớp (fitting) dựa trên các kết quả từ tính toán nguyên lý đầu. Các chứng minh đã chỉ ra rằng phân cực dư tăng khi chịu kéo và giảm khi chịu nén. Phân cực tự phát giảm khi nhiệt độ tăng. Sự chuyển pha từ pha sắt điện sang pha thuận điện được phát hiện ở nhiệt độ 605K và sự chuyển pha này cũng có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn (0K, 300K, 400K, 500K) khi có thêm biến dạng nén (8%, 6%, 5%, 2%, tương ứng). Đường cong điện trễ bị co lại khi nhiệt độ tăng và bị suy biến thành một đường cong ở nhiệt độ 605K.

Từ khóa

#PbTiO3 #Core-shell model #Ferroelectric polarization #Effect of temperature #Effect of mechanical strain

Tài liệu tham khảo

J.F. Scott, C. A. Paz de Araujo, Ferroelectric

memories, Science 246(4936) (1989) 1400-1405,

http://doi.org/10.1126/science.246.4936.1400.

L.E. Cross, Ferroelectric Materials for

Electromechanical Transducer Applications. Jpn. J.

Appl. Phys, 34 (Part 1, No. 5B) (1995) 2525–2532,

http://doi.org/10.1143/JJAP.34.2525.

S. Zhang, F. Li, X. Jiang, J. Kim, J. Luo & X. Geng,

Advantages and challenges of relaxor-PbTiO3

ferroelectric crystals for electroacoustic transducers–

A review, Prog. Mater. Sci. 68 (2015) 1–66,

http://doi/org/10.1016/j.pmatsci.2014.10.002.

P.P. Khirade, S.D. Birajdar, A.V. Raut & K.M.

Jadhav, Multiferroic iron doped BaTiO3

nanoceramics synthesized by sol-gel auto

combustion: Influence of iron on physical properties,

Ceram. Int. (2016) 1-11,

http://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.05.021.

M.A. Morales, R. Clay, C. Pierleoni, D.M. Ceperley,

First-principle methods: A perspective from quantum

Monte Carlo, Entropy. 16(1) (2013) 287–321,

http://doi.org/10.3390/e16010287.

S. Tinte et al, Atomistic modelling of BaTiO3 based

on first-principles calculations, J.Phys. Condens.

Matter. 11 (1999) 9679-9690,

http://doi.org/10.1088/0953-8984/11/48/325.

R.E. Cohen, Origin of ferroelectricity in perovskite

oxides, Nature 358(6382) (1992) 136–138,

http://doi: 10.1038/358136a0.

B. Meyer, J. Padilla, & D. Vanderbilt, Theory of

PbTiO3, BaTiO3, and SrTiO3 surfaces, Faraday

Discussions 114 (1999) 395–405,

https://doi.org/10.1039/A903029H.

C. Bungaro & K.M. Rabe, Coexistence of

antiferrodistortive and ferroelectric distortions at the

PbTiO3 (001) surface, Phys. Rev. B 71(3) (2005)

(9),

http://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.035420.

H.J. Mang & H.A. Weidenmuller, Shell-Model

theory of the Nucleus, Annu. Rev. Nucl. Sci.18(1)

(1968) 1–26,

http://doi.org/10.1146/annurev.ns.18.120168.000245.

B.G. Dick & A.W. Overhauser, Theory of the

Dielectric Constants of Alkali Halide Crystals, Phys.

Rev. 112(1) (1958) 90–103,

http://doi/org/ 10.1103/PhysRev.112.90.

P. Giannozzi et al, Quantum espresso: a modular and

open-source software project for quantum

simulations of materials, J.Phys. Condens. Matter

(9) (2009) 395502,

http://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502.

D. M. Ceperley and B. J. Alder, Ground State of the

Electron Gas by a Stochastic Method, Phys. Rev.

Lett. 45(7) (1980) 566–569,

http://doi.org// 10.1103/PhysRevLett.45.566.

J.P. Perdew & A. Zunger, Self-interaction correction

to density-functional approximations for manyelectron systems, Phys. Rev. B 23(10) (1981) 5048–

,

http://doi.org/10.1103/PhysRevB.23.5048.

D. Vanderbilt, Soft self-consistent pseudopotentials

in a generalized eigenvalue formalism, Phys. Rev. B

(1990) 7892-7895,

http://doi.org/10.1103/PhysRevB.41.7892.

H.J. Monkhorst and J.D. Pack, Special points for

Brillouin-zone integrations, Phys. Rev. B 13 (1976)

-5192,

http://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188.

T. Kitamura, Y. Umeno, F. Shang, T. Shimada, and

K. Wakahara, “Development of Interatomic Potential

for Pb(Zr,Ti)O3 Based on Shell model,” J. Solid

Mech. Mater. Eng., vol. 1, no. 12 (2007) 1423–1431,

http://doi.org/10.1299/jmmp.1.1423.

J.D. Gale, A.L. Rohl, The General Utility Lattice

Program (GULP), Mol. Simul, Vol. 29, No. 5 (2003)

-341,

http://doi.org/10.1080/0892702031000104887.

M. Sepliarsky and R.E. Cohen, First-principles based

atomistic modeling of phase stability in PMN–xPT, J.

Phys. Condens. Matter. 23(43) (2011) 435902,

http://doi.org/10.1088/0953-8984/23/43/435902.

T. Kitamura, Y. Umeno, F. Shang, T. Shimada, and

K. Wakahara, Development of Interatomic Potential

for Pb(Zr,Ti)O3 Based on Shell model, J. Solid Mech.

Mater. Eng., vol. 1, no. 12 (2007) 1423–1431,

http://doi.org/10.1299/jmmp.1.1423.

H.N. Lee, S.M. Nakhmanson, M.F. Chisholm, H.M.

Christen, K.M. Rabe & D. Vanderbilt, Suppressed

Dependence of Polarization on Epitaxial Strain in

Highly Polar Ferroelectrics, Phys. Rev. Lett. 98

(2007) 217602,

http://doi.org/10.1103/PhysRevLett.98.217602.

M. Sepliarsky and R.E. Cohen, Development of a

Shell Model Potential for Molecular Dynamics for

PbTiO3 by Fitting First Principles Results, Am. Inst.

Phvsics, Vol. 36 (2002) 36-44,

http://doi.org/10.1063/1.1499550.

R.K. Behera, Effect of surfaces, domain walls and

grain boundaries on ferroelectricity in lead titanate

using atomic scale simulations, University of florida,

,

O. Gindele, A. Kimmel, M.G. Cain & D. Duffy,

Shell Model force field for Lead Zirconate Titanate

Pb(Zr1–xTix)O3, J. Phys. Chem. C 119(31) (2015)

–17789,

http://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b03207.

V.G. Bhide, K.G. Deshmukh & M.S. Hegde,

Ferroelectric properties of PbTiO3, Physica 28(9)

(1962) 871–876,

http://doi/org/10.1016/0031-8914(62)90075-7.

R. Herchig, C.-M. Chang, B. K. Mani & I.

Ponomareva, Electrocaloric effect in ferroelectric

nanowires from atomistic simulations, Sci. Rep 5

(2015) 1-6,

http://doi.org/10.1038/srep17294.