(Ba,Ca)TiO₃无铅压电陶瓷电学性能的第一性原理计算

摘要

基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了Ba_1-xCa_x TiO₃（BCT,x=0,0.125,0.200,0.250,0.333,0.500）陶瓷的电子结构、介电、压电性及相关机理。研究发现,BCT陶瓷的带隙宽度随Ca²⁺掺杂量的增大先降后升,在x=0.125处取得最小值1.693 e V。光子能量为0 e V时纯Ba Ti O₃陶瓷的相对介电常数ε_r为5.957,在2.523 e V时ε_r达到峰值8.522。Ca²⁺掺杂量增大使其室温相对介电常数与介电损耗均减小,在x=0.500处,介电损耗在光子能量为3.447 e V时呈现峰值4.403。其态密度图谱表明原子之间的杂化使其压电性更稳定,其压电应变常数d₃₃和压电应力常数e₃₃在x=0.250处分别达到极大值99.8 p C/N和29.34 C/m²,微量Ca²⁺掺杂使Ba Ti O₃陶瓷的室温压电性提高,两相共存区域正交相与四方相之间的耦合是其高压电性的关键因素。

关键词

(Ba,Ca)Ti O₃陶瓷 / 电子结构 / 介电性 / 压电性 / 第一性原理计算