Теоретическое исследование геометрической и электронной структуры литиевых дефектов в параэлектрике KTaO3

Проект: исполнение гранта/договораисполнение гранта/договора в целом

Сведения о проекте

описание

Кристалл танталата калия KTaO3 (KTO) является параэлектриком, обладающим целым рядом интересных фундаментальных физических свойств и широкой областью практических применений, таких как, электрические конденсаторы для энергозависимой памяти DRAM (Dynamic random access memory), фотокатализаторы, люминесцентные конденсаторы, топливные элементы и перестраиваемые микроволновые устройства.

KTO характеризуется высоким значением диэлектрической проницаемости, которая увеличивается при понижении температуры. Обладая аномальными диэлектрическими свойствами в области низких температур, KTO остается параэлектриком вплоть до 0 К благодаря квантовым эффектам. Диэлектрические свойства KTO аналогичны свойствам параэлектрической фазы сегнетоэлектриков со структурой перовскита, а именно, имеется мягкая инфракрасно-активная поперечная оптическая ТО-мода, частота которой стремится к нулю при понижении температуры, сопровождаясь аномальным ростом диэлектрической проницаемости. Однако ниже 30 К в KTO происходит насыщение роста диэлектрической проницаемости и убывание частоты ТО-моды.

Благодаря близости KTO к сегнетоэлектрическому состоянию уже слабое допирование изоэлектронными примесями приводит к низкотемпературному фазовому переходу в сегнетоэлектрическое состояние с сильными изменениями физических свойств. Однако механизмы таких переходов изучены недостаточно. В связи с чем возникает задача исследования электронной и геометрической структуры изоэлектронных дефектов. Одним из самых интересных и активно изучаемых изоэлектронных дефектов КТО является примесь замещения атомом Li атома K. Предположительно, изоэлектронная примесь Li является нецентральным дефектом (из-за меньших по сравнению с атомом К размеров атома Li) с большими смещениями вдоль направления (100), что может приводить к значительным изменениям в электронной и геометрической структуре допированного КТО.

Планируемые первопринципные расчёты электронной и геометрической структуры кристалла KTO, допированного литием, инициированы экспериментами по измерению фотопроводимости, для интерпретации которых было выдвинуто 2 предположения. А именно, о том, что, во-первых, при замещении атомом Li атома K в матрице кристалла KTO атому Li энергетически более выгодно занять нецентральное положение в решётке, а во-вторых, что это приводит к появлению мелких ловушек для электронов за счёт отщепления мелких дефектных уровней от потолка валентной зоны кристалла KTaO3.

Для проверки этой гипотезы нами запланированы DFT-расчеты не только равновесной геометрии и электронной структуры дефекта KTaO3:Li, но и адиабатических потенциалов (профилей потенциалов), в поле которых движется дефектный атом Li в направлениях (100), (110), (111), что позволит оценить величины энергетических барьеров для перескока атома Li из одной нецентральной позиции в другую.

Предполагается также сделать оценки концентрационной зависимости величин смещений примесей Li из нецентральных позиций посредством проведения DFT-расчётов парных дефектов Li, и последующих зонных расчётов, а также DOS и PDOS с целью выявления дефектных уровней и величин их отщепления.

Теоретическое исследование электронной и геометрической структуры допированного литием кристалла КТО является фундаментальной задачей.
АкронимINI_2021
СтатусАктивный
Действительная дата начала/окончания1/04/2131/03/22

Ключевые слова

  • дефекты в кристаллах, метод функционала плотности, первопринципные расчеты, электронная и геометрическая структура