鈣鈦礦型鐵電材料電子結構及物理性質探討

阮朝帥 貴州工程應用技術學院 貴州畢節 551700

鈣鈦礦型鐵電材料電子結構及物理性質探討

阮朝帥 貴州工程應用技術學院 貴州畢節 551700

鈣鈦礦型鐵電材料是目前應用較為普遍的一類功能材料。若想實現對鐵電性的合理運用及其新功能的挖掘，都需要對其內在本質進行深入研究，而其本質問題還是現階段相關專家學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構及物理性質進行了研究探討。

鈣鈦礦型鐵電材料；電子結構；物理性質

0　前言

鐵電材料是目前在熱電攝像技術，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、壓電效應等物理特性。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。要想充分發揮鐵電材料的價值，實現對新功能的進一步挖掘，還需要人們對鐵電性內在本質展開更加深入的研究。

1　鈣鈦礦型鐵電材料相關概述

鈣鈦礦結構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，因而使自發極化現象的產生也趨于同樣方向。在1942年，人們發現了第一種鈣鈦礦型鐵電材料，即鈦酸鋇，這種材料被發現具有極強的壓電性，但是缺乏穩定的頻率。隨后，在1954年，人們發現了另一種更加優質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、穩定性等有更加良好，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，都是鈣鈦礦結構過渡金屬氧化物，因而，這一材料的研究重點也更加傾向于鈣鈦礦結構化合物中， PZNT等鐵電材料也成為了專家學者的重要研究對象。

2　簡單鈣鈦礦鐵電材料價鍵電子結構計算

鈣鈦礦結構氧化物是對強關聯多電子相互作用進行研究的模型系統，因其主要物性本質與其電子結構關聯密切，因而，需要對其電子結構進行深入研究。在簡單鈣鈦礦鐵電材料立方相價鍵電子結構的計算中，首先需要為立方相鈣鈦礦晶體結構建立原子坐標。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BO6八面體結構，因而，可以將其坐標設置為（0.5，0.5，0.5）。另外，其立方結構只能在Curie溫度之上得以保持，若是低于此溫度，立方結構就會發生多種結構相變。 O1，O2， O3的坐標分別設置為（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構計算的過程中，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這八種鈣鈦礦結構鐵電材料。運用鍵距差計算方法，能夠將這些材料的所有鍵上共價電子數計算出來，并獲得ABO3的價鍵電子結構。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。據計算結果表明，組成晶體的原子種類，對化合物價鍵電子結構具有顯著的影響。若是晶體結構相同，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，可以運用EET理論進行計算。經過計算，可以看出，EET有效電子數與玻恩有效電子數之間存在對應關系，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構及物理性質的研究提供一種便捷的方法。

經過EET理論的運用和一系列計算，可以得出結論：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構計算

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出鐵電性和磁性，在此溫度以下，便會呈現菱形畸變鈣鈦礦結構。通過幾何知識、其晶體結構等，能夠獲得鐵酸鉍的實驗鍵距和等同鍵數。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判據的價鍵電子結構。通過研究和計算，可以發現， Fe與O之間會出現十分強烈的共價鍵。

通過對其電子結構的計算，能夠對自發極化提出半定量討論。假設若是鐵原子順著［111］方向移動，是自發極化產生的唯一原因，且只考慮因Fe-O變化所產生的晶胞凈自發極化情況。會初步得出Fe-O鍵共價性加強的結論。由此可見，這便是鐵電性產生的主要原因。且運用EET理論對鐵酸鉍進行價鍵電子結構計算后，能夠得出結論：在運用EET理論研究多鐵性材料時，其中蘊含的原子狀態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，并不會出現磁性與鐵電性互斥的情況。

4　結論

本文主要是基于EET理論，通過對鈣鈦礦型鐵電材料電子結構相變中出現的不同晶體結構進行研究，采用BLD理論得出這些材料的價電子結構。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構的計算，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果，論證了其在鐵電材料物理性質等方面研究中的可行性和必要性，以為日后其他晶體結構以及其他材料物理效應的研究提供有效理論依據。

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