BiFeO3 结构性质与相转变的第一性原理研究

丁航晨; 施思齐; 姜平; 唐为华

doi:10.7498/aps.59.8789

摘要

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统地研究了BiFeO3的7种不同空间群 (R3c, R3m, P4mm, Cm, Pm3 m, R3 m和R3 c)结构及其转变关系.结果表明,铁电相R3c结构是基态,不同结构之间也存在着一定的转变关系,其变化主要包括两种形式,在[111]方向上Bi3+相对FeO6八面体存在一定的位移和FeO6八面体绕[111]极化轴的反铁扭曲旋转.此外, 还得出BiFeO3的薄膜结构受到衬底结构的作用会导致其从三方相(R3c)向四方相(P4mm)转变.

关键词:

Abstract

Using the first-principles method based on density functional theory, we investigate the structural properties of seven different phases of BiFeO3 including R3c, R3m, P4mm, Cm, Pm3 m, R3 m and R3 c and structural transition. The results show that the ground state has the R3c phase, and that phase transitions can occur among these phases, which may be characterized by two types of structural transitions. One is the relative displacement between octahedral FeO6 and Bi3+, and the other is the rotation of octahedral FeO6 along the [111] axis. Furthermore, the BiFeO3 film is found to be able to change from R3c phase to P4mm phase, owing to the substrate effect.

Keywords:

作者及机构信息

1.
浙江理工大学光电材料与器件中心,杭州 310018

基金项目: 国家自然科学基金(批准号:50802089)、浙江省"钱江人才计划"(批准号:2007R10028)、教育部留学回国人员科研启动基金(批准号:2008890)、浙江省自然科学基金(批准号:Y4090280)、国家重点基础研究发展计划(批准号:2010CB933501)和浙江省自然科学基金杰出青年研究团队(批准号:R4090058)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Center for Optoelectronic Materials and Devices, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China

参考文献

[1]	Ohno H 1998 Science 281 951
[2]	Wolf S A, Awschalom D D, Buhrman R A, Daughton J M, Molnar S V, Roukes M L, Chtchelkanova A Y, Treger D M 2001 Science 294 1488
[3]	Fiebig M 2005 J. Phys. D 38 R123
[4]	Yu Z, Li X, Long X, Cheng X W, Wang J Y, Liu Y, Cao M S, Wang F C 2008 Acta Phys. Sin. 57 4539 (in Chinese) [于宙、李祥、龙雪、程兴旺、王晶云、刘颖、曹茂盛、王富耻 2008 物理学报 57 4539]
[5]	Schmid H 1994 Ferroelectrics 162 317
[6]	Wang J, Neaton J B, Zheng H, Nagarajan V, Ohale S B, Liu B, Viehland D, Vaithyanathan V, Schlom D G, Waghmare U V, Spaldin N A, Rabe K M, Ramesh R 2003 Science 299 1719
[7]	Sun Y, Huang Z F, Fan H G, Ming X, Wang C Z, Chen G 2009 Acta Phys. Sin. 58 193 (in Chinese) [孙源、黄祖飞、范厚刚、明星、王春忠、陈岗 2009 物理学报 58 193]
[8]	Sosnowska I, Neumaier T P, Steichele E 1982 J. Phys. C 15 4835
[9]	Duan C G 2009 Prog. Phys. 29 215 (in Chinese) [段纯刚 2009 物理学进展 29 215]
[10]	Kubel F, Schmid H 1990 Acta Crystallogr. Sect. B 46 698
[11]	Filippetti A, Hill N A 2001 J. Magn. Magn. Mater. 236 176
[12]	Selbach S M, Tybell T, Einarsrud M A, Grande T 2008 Adv. Mater. 20 3692
[13]	Arnold D C, Knight K S, Morrison F D, Lightfoot P 2009 Phys. Rev. Lett. 102 027602
[14]	Ederer C, Spaldin N A 2005 Phys. Rev. B 71 060401
[15]	Ricinschi D, Yun K Y, Okuyama M 2006 J. Phys.: Condens. Matter 18 L97
[16]	Xu G Y, Hiraka H, Shirane G, Li J F, Wang J L, Viehland D 2005 Appl. Phys. Lett. 86 182905
[17]	Ravindran P, Vidya R, Kjekshus A, Fjellvag H, Eriksson O 2006 Phys. Rev. B 74 224412
[18]	Kresse G, Hafner J 1993 Phys. Rev. B 47 558
[19]	Kresse G, Furthmuller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169
[20]	Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865
[21]	Dudarev S L, Botton G A, Savrasov S Y, Humphreys C J, Sutton A P 1998 Phys. Rev. B 57 1505
[22]	Murnaghan F D 1944 Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 30 244
[23]	Cohen R E, Krakauer H 1990 Ferroelectrics 111 57
[24]	Cohen R E, Krakauer H 1992 Ferroelectrics 136 65
[25]	Hatt A J, Spaldin N A, Ederer C 2010 Phys. Rev. B 81 054109
[26]	Bea H, Bibes M, Sirena M, Herranz G, Bouzehouane K, Jacquet E 2006 Appl. Phys. Lett. 88 062502
[27]	Noheda B, Gonzalo J A, Cross L E, Guo R, Park S E, Cox D E, Shirane G 2000 Phys. Rev. B 61 8687

施引文献

[1]	Ohno H 1998 Science 281 951
[2]	Wolf S A, Awschalom D D, Buhrman R A, Daughton J M, Molnar S V, Roukes M L, Chtchelkanova A Y, Treger D M 2001 Science 294 1488
[3]	Fiebig M 2005 J. Phys. D 38 R123
[4]	Yu Z, Li X, Long X, Cheng X W, Wang J Y, Liu Y, Cao M S, Wang F C 2008 Acta Phys. Sin. 57 4539 (in Chinese) [于宙、李祥、龙雪、程兴旺、王晶云、刘颖、曹茂盛、王富耻 2008 物理学报 57 4539]
[5]	Schmid H 1994 Ferroelectrics 162 317
[6]	Wang J, Neaton J B, Zheng H, Nagarajan V, Ohale S B, Liu B, Viehland D, Vaithyanathan V, Schlom D G, Waghmare U V, Spaldin N A, Rabe K M, Ramesh R 2003 Science 299 1719
[7]	Sun Y, Huang Z F, Fan H G, Ming X, Wang C Z, Chen G 2009 Acta Phys. Sin. 58 193 (in Chinese) [孙源、黄祖飞、范厚刚、明星、王春忠、陈岗 2009 物理学报 58 193]
[8]	Sosnowska I, Neumaier T P, Steichele E 1982 J. Phys. C 15 4835
[9]	Duan C G 2009 Prog. Phys. 29 215 (in Chinese) [段纯刚 2009 物理学进展 29 215]
[10]	Kubel F, Schmid H 1990 Acta Crystallogr. Sect. B 46 698
[11]	Filippetti A, Hill N A 2001 J. Magn. Magn. Mater. 236 176
[12]	Selbach S M, Tybell T, Einarsrud M A, Grande T 2008 Adv. Mater. 20 3692
[13]	Arnold D C, Knight K S, Morrison F D, Lightfoot P 2009 Phys. Rev. Lett. 102 027602
[14]	Ederer C, Spaldin N A 2005 Phys. Rev. B 71 060401
[15]	Ricinschi D, Yun K Y, Okuyama M 2006 J. Phys.: Condens. Matter 18 L97
[16]	Xu G Y, Hiraka H, Shirane G, Li J F, Wang J L, Viehland D 2005 Appl. Phys. Lett. 86 182905
[17]	Ravindran P, Vidya R, Kjekshus A, Fjellvag H, Eriksson O 2006 Phys. Rev. B 74 224412
[18]	Kresse G, Hafner J 1993 Phys. Rev. B 47 558
[19]	Kresse G, Furthmuller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169
[20]	Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865
[21]	Dudarev S L, Botton G A, Savrasov S Y, Humphreys C J, Sutton A P 1998 Phys. Rev. B 57 1505
[22]	Murnaghan F D 1944 Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 30 244
[23]	Cohen R E, Krakauer H 1990 Ferroelectrics 111 57
[24]	Cohen R E, Krakauer H 1992 Ferroelectrics 136 65
[25]	Hatt A J, Spaldin N A, Ederer C 2010 Phys. Rev. B 81 054109
[26]	Bea H, Bibes M, Sirena M, Herranz G, Bouzehouane K, Jacquet E 2006 Appl. Phys. Lett. 88 062502
[27]	Noheda B, Gonzalo J A, Cross L E, Guo R, Park S E, Cox D E, Shirane G 2000 Phys. Rev. B 61 8687

[1]	严志, 方诚, 王芳, 许小红. 过渡金属元素掺杂对SmCo₃合金结构和磁性能影响的第一性原理计算. 物理学报, 2024, 73(3): 037502. doi: 10.7498/aps.73.20231436
[2]	丁莉洁, 张笑天, 郭欣宜, 薛阳, 林常青, 黄丹. SrSnO₃作为透明导电氧化物的第一性原理研究. 物理学报, 2023, 72(1): 013101. doi: 10.7498/aps.72.20221544
[3]	吴洪芬, 冯盼君, 张烁, 刘大鹏, 高淼, 闫循旺. 铁原子吸附联苯烯单层电子结构的第一性原理. 物理学报, 2022, 71(3): 036801. doi: 10.7498/aps.71.20211631
[4]	陈光平, 杨金妮, 乔昌兵, 黄陆君, 虞静. Er³⁺掺杂TiO₂的局域结构及电子性质的第一性原理研究. 物理学报, 2022, 71(24): 246102. doi: 10.7498/aps.71.20221847
[5]	吴洪芬, 冯盼君, 张烁, 刘大鹏, 高淼, 闫循旺. 铁原子吸附联苯烯单层电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20211631
[6]	陈献, 程梅娟, 吴顺情, 朱梓忠. 石墨炔衍生物结构稳定性和电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2017, 66(10): 107102. doi: 10.7498/aps.66.107102
[7]	叶红军, 王大威, 姜志军, 成晟, 魏晓勇. 钙钛矿结构SnTiO3铁电相变的第一性原理研究. 物理学报, 2016, 65(23): 237101. doi: 10.7498/aps.65.237101
[8]	邓娇娇, 刘波, 顾牡, 刘小林, 黄世明, 倪晨. 伽马CuX(X=Cl,Br,I)的电子结构和光学性质的第一性原理计算. 物理学报, 2012, 61(3): 036105. doi: 10.7498/aps.61.036105
[9]	魏杰, 陈彦均, 徐卓. 多铁性BiFeO3纳米颗粒的尺寸依赖磁性能研究. 物理学报, 2012, 61(5): 057502. doi: 10.7498/aps.61.057502
[10]	汪志刚, 张杨, 文玉华, 朱梓忠. ZnO原子链的结构稳定性和电子性质的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(3): 2051-2056. doi: 10.7498/aps.59.2051
[11]	顾牡, 林玲, 刘波, 刘小林, 黄世明, 倪晨. M’型GdTaO4电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(4): 2836-2842. doi: 10.7498/aps.59.2836
[12]	吴红丽, 赵新青, 宫声凯. Nb掺杂影响NiTi金属间化合物电子结构的第一性原理计算. 物理学报, 2010, 59(1): 515-520. doi: 10.7498/aps.59.515
[13]	谭兴毅, 金克新, 陈长乐, 周超超. YFe2B2电子结构的第一性原理计算. 物理学报, 2010, 59(5): 3414-3417. doi: 10.7498/aps.59.3414
[14]	张晖, 刘拥军, 潘丽华, 张瑜. Co掺杂BiFeO3的第一性原理研究. 物理学报, 2009, 58(10): 7141-7146. doi: 10.7498/aps.58.7141
[15]	邵建立, 何安民, 秦承森, 王裴. 一维应变加载下单晶铁结构转变的微观研究. 物理学报, 2009, 58(8): 5610-5617. doi: 10.7498/aps.58.5610
[16]	黄丹, 邵元智, 陈弟虎, 郭进, 黎光旭. 纤锌矿结构Zn1-xMgxO电子结构及吸收光谱的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(2): 1078-1083. doi: 10.7498/aps.57.1078
[17]	吴红丽, 赵新青, 宫声凯. Nb掺杂对TiO2/NiTi界面电子结构影响的第一性原理计算. 物理学报, 2008, 57(12): 7794-7799. doi: 10.7498/aps.57.7794
[18]	刘利花, 张颖, 吕广宏, 邓胜华, 王天民. Sr偏析Al晶界结构的第一性原理计算. 物理学报, 2008, 57(7): 4428-4433. doi: 10.7498/aps.57.4428
[19]	明星, 范厚刚, 胡方, 王春忠, 孟醒, 黄祖飞, 陈岗. 自旋-Peierls化合物GeCuO3电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(4): 2368-2373. doi: 10.7498/aps.57.2368
[20]	孙博, 刘绍军, 段素青, 祝文军. Fe的结构与物性及其压力效应的第一性原理计算. 物理学报, 2007, 56(3): 1598-1602. doi: 10.7498/aps.56.1598

计量

文章访问数: 12308
PDF下载量: 1195
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板