阮朝帅 贵州工程应用技术学院 贵州毕节 551700
钙钛矿型铁电材料电子结构及物理性质探讨
阮朝帅 贵州工程应用技术学院 贵州毕节 551700
钙钛矿型铁电材料是目前应用较为普遍的一类功能材料。若想实现对铁电性的合理运用及其新功能的挖掘，都需要对其内在本质进行深入研究，而其本质问题还是现阶段相关专家学者需要主要研究的重点问题。本文就钙钛矿型铁电材料电子结构及物理性质进行了研究探讨。
钙钛矿型铁电材料；电子结构；物理性质
0 前言
铁电材料是目前在热电摄像技术，信息存储、压电点火等方面普遍运用的一种材料，具有介电性质、压电效应等物理特性。而钙钛矿型铁电材料是其中尤为重要的一种材料，在铁电材料研究课题中，这一类型的铁电材料研究课题也是研究最为广泛的课题。要想充分发挥铁电材料的价值，实现对新功能的进一步挖掘，还需要人们对铁电性内在本质展开更加深入的研究。
1 钙钛矿型铁电材料相关概述
钙钛矿结构中正氧八面体存在六个二重轴、四个三重轴、三个四重轴。由于钙钛矿铁电材料的B位原子会沿着三个中的其中一个高对称方向，偏离其正氧八面体中心位置进行位移，因而使自发极化现象的产生也趋于同样方向。在1942年，人们发现了第一种钙钛矿型铁电材料，即钛酸钡，这种材料被发现具有极强的压电性，但是缺乏稳定的频率。随后，在1954年，人们发现了另一种更加优质的钙钛矿型铁电材料，即锆钛酸铅固溶液，与钛酸钡相比，这种材料的压电性能、机电耦合系数、稳定性等有更加良好，这也使钙钛矿型铁电材料开始得到了广泛的研究。目前，多铁性材料的研究已经成了人们的研究重点，而运用较为普遍的BaTiO3等铁电材料，都是钙钛矿结构过渡金属氧化物，因而，这一材料的研究重点也更加倾向于钙钛矿结构化合物中， PZNT等铁电材料也成为了专家学者的重要研究对象。
2 简单钙钛矿铁电材料价键电子结构计算
钙钛矿结构氧化物是对强关联多电子相互作用进行研究的模型系统，因其主要物性本质与其电子结构关联密切，因而，需要对其电子结构进行深入研究。在简单钙钛矿铁电材料立方相价键电子结构的计算中，首先需要为立方相钙钛矿晶体结构建立原子坐标。由于其一般通式为ABO3， A在立方晶胞顶点为之，阳离子处于面心。因而，在原子坐标的建立中，将A点坐标设置为（0，0，0），即直角坐标系坐标原点。 B点在立方相钙钛矿晶体的立方中心处BO6八面体结构，因而，可以将其坐标设置为（0.5，0.5，0.5）。另外，其立方结构只能在Curie温度之上得以保持，若是低于此温度，立方结构就会发生多种结构相变。 O1，O2， O3的坐标分别设置为（0.5，0.5，0）、（0.5，0，0.5）以及（0，0.5，0.5）。
在进行立方相价键电子结构计算的过程中，主要遵循EET计算程序，从立方晶胞里选出D（nα）以及Iα分别为与12、与 24、与8、与16、与6的五个化学键，用作考察使用。同时，选择BaTiO3，B aZrO3，PbTiO3，PbZrO3，KNbO3，NaNbO3，CaTiO3，SrTiO3这八种钙钛矿结构铁电材料。运用键距差计算方法，能够将这些材料的所有键上共价电子数计算出来，并获得ABO3的价键电子结构。在通过计算其理论键距、实验键距的差值，运用EET理论进行分析，最终得到符合要求的所有原子各杂阶组合。据计算结果表明，组成晶体的原子种类，对化合物价键电子结构具有显着的影响。若是晶体结构相同，则价键电子分布具有一定的相似性。
形成晶体后原子的电荷较难确定，为能够获得ABO3所有原子有效价电子数，可以运用EET理论进行计算。经过计算，可以看出，EET有效电子数与玻恩有效电子数之间存在对应关系，且都与自由离子电荷偏离。由于前者的计算相对简单，因而更能够为钙钛矿型铁电材料电子结构及物理性质的研究提供一种便捷的方法。
经过EET理论的运用和一系列计算，可以得出结论：运用EET，不仅可以在钙钛矿型化合物的研究中，将其特殊价键特征表述出老，同时也能够为与电荷有序相关的铁电性研究提供便捷途径，为这一类铁电材料的物理性质研究提供了有效的工具。
3 钙钛矿型单相多铁材料铁酸铋价键电子结构计算
多铁性材料主要是拥有两种或以上基本铁性的材料，而铁酸铋则是多铁材料的一种。在室温以上，这种材料能够同时展现出铁电性和磁性，在此温度以下，便会呈现菱形畸变钙钛矿结构。通过几何知识、其晶体结构等，能够获得铁酸铋的实验键距和等同键数。运用与简单钙钛矿铁电材料相同的计算步骤进行计算，采用EET与BLD理论进行计算，能够获得符合EET判据的价键电子结构。通过研究和计算，可以发现， Fe与O之间会出现十分强烈的共价键。
通过对其电子结构的计算，能够对自发极化提出半定量讨论。假设若是铁原子顺着［111］方向移动，是自发极化产生的唯一原因，且只考虑因Fe-O变化所产生的晶胞净自发极化情况。会初步得出Fe-O键共价性加强的结论。由此可见，这便是铁电性产生的主要原因。且运用EET理论对铁酸铋进行价键电子结构计算后，能够得出结论：在运用EET理论研究多铁性材料时，其中蕴含的原子状态杂化的思想能够使铁电性与磁性自然共存，因而，在基于价键理论进行这一课题的研究时，并不会出现磁性与铁电性互斥的情况。
4 结论
本文主要是基于EET理论，通过对钙钛矿型铁电材料电子结构相变中出现的不同晶体结构进行研究，采用BLD理论得出这些材料的价电子结构。其中，通过对简单钙钛矿铁电材料以及钙钛矿型多铁材料铁酸铋价键电子结构的计算，得出了EET理论在铁电材料研究中，能够获得十分有意义的结果，论证了其在铁电材料物理性质等方面研究中的可行性和必要性，以为日后其他晶体结构以及其他材料物理效应的研究提供有效理论依据。
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