[发明专利]一种计算ABO3钙钛矿稳定结构及性能的计算方法

说明书

本发明公开了一种计算ABO3钙钛矿稳定结构及性能的计算方法，首先遵照一定的方法步骤对选取的在元素周期表中特定位置的元素构建ABO3为钙钛矿型材料稳定模型，计算并分析比较不同ABO3结构形成能，声子谱，可以从热力学和热动力学方向上分别得出该结构的稳定性如何，再分别计算其电子结构得出其光电基本性能；本发明提供一种判别能否形成稳定钙钛矿结构的方法，从元素周期表中第二主族选择任意元素(除放射性元素Ra外)，结合+4价过渡金属元素(本文限定为Zr、Ha)和O元素构成稳定的钙钛矿ABO3结构。若能形成稳定的钙钛矿结构的化合物，可以通过第一性原理计算并预测其大致性能。

技术领域

本发明属于材料学领域，具体涉及ABO3钙钛矿型化合物性能及仿真方法。

背景技术

钙钛矿氧化物（ABO3）由于具有铁电、铁磁、超导、压电等特性使其在光波导，激光倍频，压电传感器，可调谐电容器、高容量存储单元等方面具有广泛的应用，Park等发现在电荷有序的短周期LaVO3/SrVO3钙钛矿超晶格中, 通过调控钒离子价态可以存在拥有很大的极化强度一个亚稳态，Fennie在寻求强磁电耦合的材料过程中发现PbTiO3/BiFeO3电磁耦合机制不同，Sonali计算了顺电BaTiO3的电子结构，化学键和光学性质，揭示了其应用的巨大潜力 。目前关于ABO3结构与性能方面的计算预测研究众多，相对于锆基功能材料的广泛应用，搜索国内外文献却发现对ABO3结构的AZrO3结构的材料理论研究却很少，尤其是对于ZrBeO3，ZrMgO3两种结构几乎还没有任何相关研究。本文拟通过第一性原理计算系统分析第二主族元素(Be/Mg/Ga/Sr/Ba)与Ti、Zr、Ha构成的ABO3结构的锆酸盐，为开发Zr基多功能材料提供一定的理论参考。

发明内容

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种计算ABO3钙钛矿稳定结构及性能的计算方法，首先遵照一定的方法步骤对选取的在元素周期表中特定位置的元素构建ABO3为钙钛矿型材料稳定模型，计算并分析比较不同ABO3结构形成能，声子谱，可以从热力学和热动力学方向上分别得出该结构的稳定性如何，再分别计算其电子结构得出其光电基本性能，本发明采取的技术方案其特征在于，其步骤包括：

（1）ABO3型钙钛矿的结构为简立方晶格，每个布拉格晶胞有5个原子，空间群Pm-3m(221)，其中B占据立方晶格的体心位置，A占据立方晶格的8个顶点位置，晶胞的6个面心位置由O离子占据，能否形成稳定的ABO3结构主要取决于不同元素结合时的离子半径大小，遵从以下规则：；上述式中RA、RB、RO分别是占据A顶点位、B体心位和O原子的相应价态的离子半径。t为容忍因子，取值在0.78~1.10之间；

（2）对第二主族元素(Be/Mg/Ga/Sr/Ba)，通过查文献、查表等方式获取各个元素的原子半径大小为1.13，1.60，1.97，2.15，2.24及+2价态的离子半径大小分别为：0.17，0.49，0.99，1.12，1.34；+4价过渡金属元素(Ti/Zr/Ha)，原子半径大小为1.40，1.60，1.59及+4价态的离子半径大小分别为：0.53，0.72，0.71；O元素原子半径0.66，-2价离子半径1.21；

（3）根据各原子价态的离子半径大小，为使得所构建的ABO3型钙钛矿的结构t容忍因子取值在限定范围内，经计算发现A、B的位置对不同的元素组合一般有特定的固定结构，不可以随意调换；

（4）经多次计算，经验给出一般步骤可以先比较离子半径大小，若组合离子半径大小相差不大，则碱金属元素和过渡金属元素的两种占位方式都有可能，需要分别建立晶胞去计算；半径若离子半径差值大小大于0.2以上，则半径大的占据顶点A位，半径小的占据体心B位，O原子占据晶胞的6个面面心始终不变；

（5）过渡金属元素选用Zr元素，对第二主族(Be/Mg/Ga/Sr/Ba)五种元素分别组合成ABO3型钙钛矿的结构，由于Zr离子半径为0.72，介于Mg/Ga之间，且半径差值都在0.2以上，因此可以通过直接比较离子半径大小的方式筛选出能组合构成几何结构稳定钙钛矿结构；