بررسی ویژگی‌های ساختاری، الکترونی و اپتیکی 3BaZrO با استفاده از نظریه‌ی تابعی چگالی

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

چکیده

در این مطالعه ویژگی‌های ساختاری، الکترونی و اپتیکی سرامیک BaZrO در فاز مکعبی و تأثیر فشار بر ویژگی ­های یاد شده را بررسی شده است. محاسبه­ ها با استفاده از روش امواج تخت بهبودیافته­ ی خطی با پتانسیل کامل (FP-LAPW) در چارچوب نظریه­ ی تابعی چگالی انجام‌گرفته است و از نرم‌افزارهای WIEN2k و Quantum Espresso استفاده شده است. در این روش برای محاسبه­ی پتانسیل تبادلی ـ همبستگی از تقریب‌های LDA، PBE، PBEsol، GGA-WC، GGA+U، GGAmBJ و GGAmBJ+U استفاده‌شده است. با توجه به ساختار نوارهای انرژی ترکیب با استفاده از بهترین تقریب (GGAmBJ+U) مشخص شد یک گاف انرژی غیرمستقیم در راستای G-L به اندازه­ ی eV30/5 وجود دارد که این دلیلی بر عایق بودن ترکیب است. با توجه به نتیجه ­های به دست آمده از ساختار نواری و تابع دی‌الکتریک گذارهای احتمالی بعدی این ترکیب در راستای W-L، Γ و رخ خواهد داد و دریافتیم که در تشکیل چگالی حالت‌های این ترکیب اوربیتال pاتم دارای بیش‌ترین سهم در نوار ظرفیت و همچنین اوربیتال 3dا تم Baو Zrمنشأ ایجاد قله‌های ناحیه های بالای نوار رسانش می‌باشند .این ترکیب دارای تراکم‌ پذیری کم و سختی زیاد است. بیش‌ترین مقدار جذب و کم ­ترین مقدار بازتاب برای آن به ازای فوتون‌هایی با انرژی 53/20 الکترون‌ولت می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Ashcroft N.W., Mermin N.D., "Solid State Physics: Advances in Research and Applications", Holt, Rinehart and Winston, New York, 45 (1976).

[2] Lebedev AI., Sluchinskaya IA., Structural Instability in BaZrO3 Crystals: Calculations and Experiment, Physics of the Solid State,55(9): 1941-1945 (2013).

[3] Borja-Urby R., Diaz-Torres L. A., Salas P., Vega-Gonzalez M., Angeles-Chavez C., Blue and Red Emission in Wide Band Gap BaZrO3:Yb3+,Tm3+,Materials Science and Engineering B, 174(1-3): 169-173 (2010).

[4] Björketun M., Sundell P., Wahnström G., Effect of Acceptor Dopants on the Proton Mobility in BaZrO3: A Density Functional Investigation, Physical Review B,76(5): 054307 (2007).

[5] Islam M. S., Slater P. R., Tolchard J. R., Dinges T., Doping and Defect Association in AZrO3 (A= Ca, Ba) and LaMO3 (M = Sc, Ga) Perovskite-Type Ionic Conductors, Dalton transactions, (19): 3061-3066 (2004).

[6] Kuwabara A., Toyoura K., Koyama Y., Fisher C.AJ., Oba F., Matsunaga K., Moriwake H., Tanaka I., First Principles Calculations of Point Defects in Acceptor-Doped BaZrO3.Solid State Ionics, 176( 11–12): 1091–1096 (2005).

[7] Jacob K.T., Waseda Y., Potentiometric Determination of the Gibbs Energies of Formation of SrZrO and BaZrO, Metallurgical and Materials Transactions B,26(4): 775-781 (1995).

[8] Bennett W. J., Grinberg I., Rappe A.M., Effect of Symmetry Lowering on the Dielectric Response of BaZrO3, Physical Review B,73(18): 180102 (2006).

[9] Sundell P.G., Björketun M.E., Wahnström G., Thermodynamics of Doping and Vacancy Formation in BaZrO3 Perovskite Oxide from Density Functional Calculations, Physical Review B,73(10): 104112 (2006).

[10] Ho J., Heifets E., Merinov B., Ab Initio Simulation of the BaZrO3(001) Surface Structure, Surface Science,601(2): 490-497 (2007).

[11] Parida S., Rout S. K., Cavalcante L. S., Sinha E., Li M.S., Subramanian V., Gupta N., Gupta V.R., Varela J.A., Longo E., Structural Refinement, Optical and Microwave Dielectric Properties of BaZrO3, Ceramics International, 38(3): 2129-2138 (2012).

[12] Ghosez Ph., Michenaud J-P, Gonze X., Dynamical Atomic Charges: The Case of ABO3 Compounds, Physical Review B, 58(10): 6224 (1998).

[13] Terki R., Feraoun H., Bertrand G., Aourag H., Full Potential Calculation of Structural, Elastic and Electronic Properties of BaZrO3 and SrZrO3, Physica Status Solidi b, 242(5): 1054-1062 (2005).

[14] LevinI., Amos T.G., Bell S.M. , Farber L., Vanderah T.A., Roth R.S., Toby B.H., Phase Equilibria, Crystal Structures and Dielectric Anomaly in the BaZrO3–CaZrO3 System, Journal of Solid State Chemistry,175(2): 170-181 (2003).

[15] Robertson J., Band Offsets of Wide-Band-Gap Oxides and Implications for Future Electronic Devices, Journal of Vacuum Science & Technology B,18(3): 1785-1791 (2000).

[16] Perdew J.P. , Wang Y., Pair-Distribution Function and Its Coupling-Constant Average for the Spin-Polarized Electron Gas, Physical Review B, 46(20): 12947 (1992).

[17] Cottenier S., "Density Functional Theory and the Family of (L) APW-Methods: a Step-by-Step Introduction", Instituut voor Kern-en Stralingsfysica, KU Leuven, Belgium (2002).

[18] Blaha P., Schwarz K., Madsen G.K.H, Kvasnicka D., Luitz J., "Wien2k: An Augmented Plane Wave+ Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties", Vienna University of Technology, Austria (2001).

[19] Giannozzi P., Baroni S., Bonini N., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., Ceresoli D., Guido, Chiarotti L., Cococcioni M., Dabo I.,QUANTUM ESPRESSO: A Modular and Open-Source Software Project for Quantum Simulations of Materials, Journal of Physics: Condensed Matter, 21(39): 395502 (2009).

[20] Hohenberg P., Kohn W., Inhomogeneous Electron Gas, Physical Review, 136(3B): B864 (1964).

[21] Kohn W., Sham L.J., Self-consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects, APS, 140(4A): A1133 (1965).

[22] Langreth D. C, Perdew J.P., Theory of Nonuniform Electronic Systems. I. Analysis of the Gradient Approximation and a Generalization that Works, Physical Review B, 21(12): 5469 (1980).

[23] Perdew J.P., Burke K., Wang Y., Generalized Gradient Approximation for the Exchange-Correlation Hole of a Many-Electron System, Physical Review B,54(23): 533-534 (1996).

[24] Anisimov V.I., Aryasetiawan F., Lichtenstein A.I., First-principles Calculations of the Electronic Structure and Spectra of Strongly Correlated Systems: the LDA+ U Method, Journal of Physics: Condensed Matter, 9(4): 767 (1999).

[25] Koller D., Tran F., Blaha P., Merits and Limits of the Modified Becke-Johnson Exchange Potential, Physical Review B,83(19): 195134 (2011).

[26] Yamanaka S., Fujikane M., Hamaguchi T., Muta H., Oyama T., Matsuda T., Kobayashi S.I., Kurosaki K., Thermophysical Properties of BaZrO3 and BaCeO3, Journal of Alloys and Compounds, 359(1): 109-113 (2003).

[27] Murnaghan F.D ., "The Compressibility of Media under Extreme Pressures", Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (1944).

[28] King-Smith R.D. , Vanderbilt D., First-Principles Investigation of Ferroelectricity in Perovskite Compounds, Physical Review B,49(9): 5828 (1994).

[29] کیتل ,چ،  آشنایی بافیزیک حالت جامدمترجم: ا، پورقاضی مرکز نشر دانشگاهی، چاپ ششم (1385)

[30] Dresselhaus M., "Optical Properties of Solids", Proceedings of the International School of Physics, Academic Press. New York (1966).

[31] Koch S.W. , "Quantum theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors". New Jersey, U.S.A.: WorldScientific Pub Co Inc(1994).

[32] Fox A.M.  and Fox M., "Optical Properties of Solids", Oxford University Press New York, (2001).

[33] Ravindran P., Delin A., Ahuja R., Johansson B., Auluck S., Wills J.M., Eriksson O., Optical Properties of Monoclinic SnI2 from Relativistic First-principles Theory, Physical Review B,56(11): 6851 (1997).

[34] ParidaS., RoutS.K., CavalcanteL.S., SinhaE., Siu LiM., SubramanianV.,GuptaN., GuptaV.R., VarelaJ.A., LongoE., Structural Refinement, Optical and Microwave Dielectric Properties of BaZrO3, Ceramics International, 38: 2129–2138 (2012).

[35] KhenataR., SahnounM., BaltacheH., RératM.,Rashek A.H., IllesN., BouhafsB.,First-principle Calculations of Structural, Electronic and Optical Properties of BaTiO3 and BaZrO3 under Hydrostatic Pressure, Solid State Communications, 136(2): 120-125 (2005)