[论文解读] Ab-initio study of BaTiO3 surfaces

J. Padilla, David Vanderbilt|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 1997

Ferroelectric and Piezoelectric Materials被引用 4

一句话总结

本从头算研究调查了四方相和立方相下BaTiO3 (001)表面的电子结构与几何性质，重点关注BaO终止（I型）和TiO2终止（II型）构型。通过采用全原子弛豫的第一性原理总能计算，研究发现所有表面均无深能隙表面态，II型表面（尤其是立方相）的带隙减小，尽管表面弛豫能较大，但铁电序参数在表面附近仅出现微弱增强。

ABSTRACT

We have carried out first-principles total-energy calculations of (001) surfaces of the tetragonal and cubic phases of BaTiO3. Both BaO-terminated (type I) and TiO2-terminated (type II) surfaces are considered, and the atomic configurations have been fully relaxed. We found no deep-gap surface states for any of the surfaces, in agreement with previous theoretical studies. However, the gap is reduced for the type-II surface, especially in the cubic phase. The surface relaxation energies are found to be substantial, i.e., many times larger than the bulk ferroelectric well depth. Nevertheless, the influence of the surface upon the ferroelectric order parameter is modest; we find only a small enhancement of the ferroelectricity near the surface.

研究动机与目标

• 理解四方相和立方相下BaTiO3 (001)表面的电子结构与稳定性。
• 研究表面终止类型（BaO与TiO2）对表面电子态及带隙形成的影响。
• 评估表面弛豫对BaTiO3中铁电序参数的影响。
• 确定是否会出现深能隙表面态，这可能影响表面电导率与电子行为。
• 量化表面弛豫能，并与体相铁电势阱深度进行比较。

提出的方法

• 在局域密度近似（LDA）框架下，采用第一性原理密度泛函理论（DFT）总能计算。
• 构建了BaTiO3 (001)表面的超胞模型，包含BaO终止（I型）和TiO2终止（II型）两种构型。
• 对表面原子执行全原子弛豫，以确定平衡表面结构。
• 计算电子能带结构与态密度，分析表面态与带隙行为。
• 计算表面弛豫能，并与体相铁电势阱深度进行比较。
• 分析表面附近铁电序参数的空间分布，以评估其增强程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在四方相或立方相下，BaTiO3 (001)表面是否表现出深能隙表面态？
• RQ2 表面终止类型（BaO与TiO2）如何影响BaTiO3表面的带隙与电子结构？
• RQ3 表面弛豫能的大小如何？其与体相铁电势阱深度相比如何？
• RQ4 表面附近铁电序参数的增强程度有多大？
• RQ5 BaTiO3的四方相与立方相在表面电子结构上存在何种差异？

主要发现

• 所有研究表面均未发现深能隙表面态，与先前的理论结果一致。
• II型（TiO2终止）表面的带隙有所减小，尤其在立方相中更为显著，表明带隙边缘附近电子态密度增加。
• 表面弛豫能较大，其数值是体相铁电势阱深度的数倍。
• 铁电序参数在表面附近仅出现微弱增强，表明表面效应对体相铁电性的影响力有限。
• 立方相下TiO2终止表面的电子结构表现出最显著的带隙减小。
• 结果表明，BaTiO3中的表面效应主要为结构与能量性质，而非电子性质，对长程铁电序的影响极小。