بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله اثر افزودن اتم سدیم در ترکیب BiTiO3 در فاز تتراگونال روي برخی خواص الکترواپتیکی از جمله چگالی حالتهاي کلی و شدت انتقال بین نواري بررسی شد، همچنین چگالی ابرالکترونی جهت تعیین نوع پیوند شیمیایی بین اتم هاي موجود در شبکه براي ترکیبات، BiTiO3 و Bi0.5Na0.5TiO3 مورد بررسی قرارگرفت و نتایج حاصل با مقادیر تجربی مقایسه شدند. محاسبات به روش پتانسیل کامل امواج تخت تقویت شدة خطی - FP-LAPW - بر اساس نظریه تابعی چگالی - DFT - و با استفاده از تقریب شیب تعمیم یافته - GGA - انجام گرفته است. گاف انرژي براي BiTiO3 مقدار 2/3 eV و براي ترکیبeV Bi0.5Na0.5TiO3 1/9 بدست آمد، که در مقایسه با داده هاي تجربی مطابقت نسبتا خوبی دارد.
مقدمه
در سالهاي اخیر با افزایش تقاضا براي حفاظت محیط زیست مواد بدون سرب بسیار مورد توجه قرار گرفتند. امروزه سرامیک هاي بدون سرب به طور گسترده در دستگاه هاي الکترونیکی مانند فعال کننده ها، حسگرها، مبدل ها و غیره مورد استفاده قرار می گیرند. پروسکایت ها دسته اي از جامدات بلوري اند، که بسیار مورد استفاده قرار میگیرند.[1] تیتانات سدیم بیسموت Bi0.5Na0.5TiO3 با علامت اختصاريمواد BNT یکی از پیزوالکتریک فاقد سرب می باشد، که داراي ساختار پروسکایت نوع ABO3 است. BNT ابتدا در سال 1960 توسط اسمولنسکی و آگرانوسکاوا کشف شد.
[2] از طرفی BiTiO3 ترکیبی با ساختار پروسکایت می باشد که دو سلول واحد آن ساختار Bi2Ti3O10 - BIT - را تشکیل می دهند. BIT در دماي اتاق خواص فروالکتریک از خود نشان می دهد و در مقایسه با دیگر مواد سرامیکی فروالکتریک مانند Pb - Zr,Ti - O3 دماي کوري بالاي TC = 930K دارد که باعث می شود BIT در گستره بازه دمایی وسیعی براي وسایل الکترونیک استاندارد مانند باطري سرامیکی، حسگرها، ترانسفورماتورها و پیزوالکتریک ها مفید می باشد.[3]
روش انجام محاسبات
براي انجام محاسبات نظري در مورد خواص الکتریکی و اپتیکی ترکیبات از نظریه تابعی چگالی - - DFT استفاده می کنیم. در این روش براي انجام محاسبات از امواج تخت تقویت شدة خطی با
پتانسیل کامل - - FP-LAPW با استفاده از کد محاسباتی Wien2k بهره می گیریم و سپس به تفسیر نتایج حاصل از محاسبات می پردازیم.[5-4] انرژي جدایی بین الکترون هاي ظرفیت و مغزه
برابر -0/5 Ryd در نظر گرفته شده است. شعاع کره مافین تین به گونه اي در نظر گرفته می شود که انبساط و انقباض ترکیب منجر به روي هم افتادگی ابر الکترون اتم هاي همسایه نگردد.
در هر سلول BiTiO3، 5 اتم وجود دارد. یک اتم بیسموت، یک اتم تیتانیم و سه اتم اکسیژن. ابرسلول براي ترکیب BiTiO3در فاز تتراگونال ساخته و بررسی شده است. براي ساخت این
ابرسلول، پارامتر C ساختار BiTiO3 را در 2 ضرب شده است. در ابرسلول اتم هاي Na به عنوان ناخالصی در جایگاه هاي Bi قرار دارند. از آنجا که درصد سدیم در بلور BNT، 0,5 است، بنابراین براي تولید ابرسلول باید 2 سلول واحد داشت، که در یکی از سلول ها به جاي اتم بیسوت، اتم سدیم قرار گرفته اینباشد، ابرسلول داراي 20 جایگاه اتمی و 40 اتم است.
بحث و نتایج
یکی از بهترین روش ها براي تعیین خصوصیات الکترواپتیکی جامدات، بررسی چگالی حالت ها اطراف انرژي فرمی است. زیرا نقش اوربیتال هاي مختلف اتم ها که در نزدیکی و بالاي تراز فرمی قرار دارند در فعالیت هاي الکتریکی و اپتیکی مهم هستند. انرژي صفر نشان دهندهي مکان تراز فرمی است. چگالی حالت ها براي دو ترکیب در شکلو 1 2 مشاهده می شود. توان الکترون هاي اوربیتال Bi-6s را بالاي تراز فرمی نیز مشاهده کرد.
از طرفی در انرژيهاي پایین و دور از تراز فرمی،و قله تیز جایگزیدهاي در نمودار حالات BiTiO3 دیده میشود. این قلههاي جایگزیده مربوط به حالتهاي مغزهوي اتمهاي بیسموت اکسیژن است. با توجه به شکل این قلهها که تیز و جایگزیده است میتوان گفت که باید مربوط به اوربیتالهاي s و P از این اتمها باشد؛ و عدم همپوشانی آنها با قلهه اي دیگر، بیانگر آن است که این حالتها در هیچ پیوندي شرکت نکردهاند و تا حدود زیادي توانستهاند که شکل و حالت اتمی خود را حفظ کنند؛ و این به دلیل پر بودن واصطلاحاً بسته بودن لایه ي اوربیتال الکترونی این ها است. با مقایسه شکل هاي 1 و 2 می توان دریافت،گافمقدار انرژي به دست آمده براي ترکیب هاي BiTiO3بترتیبوBNT حدود 3/2 و 1/9 الکترون ولت میباشد که با افزودن ناخالصی به دلیل وجود تراز بسیار جایگزیده Na-2p گاف انرژي کاهش یافته است.
