بررسي خواص الاستيكي و پيزوالكتريكي SrHfO3و اثر تنش تك‌محور بر خواص پيزوالكتريكي آن: بررسي ابتدا به ساكن

The Investigation of the Elastic and Piezoelectric Properties of SrHfO3 and the Effect of Uniaxial Stress on its Piezoelectric Properties: an ab initio study

ر این مقاله از محاسبات اصول اولیه در چارچوب نظریۀ‌ تابعی چگالی و نظریۀ‌ اختلالی تابعی چگالی، برای بررسی خواص الاستیكی و پیزوالكتریكی حالت پایۀ تركیب فرضیSrHfO3  درساختار چهاركنجی با گروه فضایی P4mmاستفاده شد. برای پی بردن به ماهیت فروالكتریكی ماده در مقیاس اتمی، قطبش و تانسور بارهای مؤثر بورن محاسبه شدند. نتایج نشان می‌دهد كه بار مؤثر بورن اتم‌های Hf و O بسیار بزرگ‌تر از مقادیر معمولی یونی است كه نشان‌دهندۀ‌ پیوند قوی میان اتم‌های O  و Hf است. محاسبۀ انرژی تشكیل نشان داد كه این تركیب در صورت شكل‌گیری، به عناصر سازنده تجزیه نمی‌شود. مقادیر غیرصفر و قابل‌توجه تانسور پیزوالكتریك نشان‌دهندۀ‌ وجود پیزوالكتریسیته در این تركیب است. اثر تنش تك‌محور در امتداد محور c بلورشناسی بر روی قطبش، بارهای مؤثر بورن و ضرایب تنش و كرنش پیزوالكتریك این تركیب نیز بررسی شد. مقدار قطبش با افزایش تنش تك‌محور از مقادیر منفی به مقادیر مثبت افزایش می‌یابد. این تغییرات نشان می‌دهند كه تنش كششی، فروالكتریسیتۀ تركیب را افزایش می‌دهد، در حالی كه تنش فشاری می‌تواند منجر به حذف فروالكتریسیتۀ تركیب شود. بررسی وابستگی ضرایب تنش و كرنش پیزوالكتریك به تنش تك‌محور نشان می‌دهد كه با استفاده از تنش می‌توان كیفیت پیزوالكتریسیتۀ تركیب را بهبود بخشید. این نتایج می‌تواند در حوزۀ‌ مواد جدید پیزوالكتریك بدون سرب حائز اهمیت باشد.

The basic principles of calculations in the framework of density functional theory and density functional perturbation theory were used to investigate the elastic and piezoelectric properties of hypothetical SrHfO3 compound in tetragonal structure with P4mm space group. Polarization and Born effective charges tensor were calculated to investigate the nature of ferro-electricity of this system in an atomic scale. Our results show that Born effective charges of both Hf and O atoms are much larger than their anticipated nominal charges which show a strong bonding between Hf and O atoms. Formation energy calculation revealed that the compound will be stable, if it is synthesized and would not decompose to its ingredients. Non-vanishing and significant calculated piezoelectric constants imply system piezoelectricity. The effect of uniaxial stress along the c-axis on polarization, Born effective charges and piezoelectric stress and strain coefficients were also investigated. We found that the polarization increases as the uniaxial stress goes from negative to positive. These changes suggest that the uniaxial tensile stress could raise the ferro-electricity, while the uniaxial compressive stress would cancel it. We also found that the piezoelectricity of this system could be improved by applying stress. These results could be significant in the field of lead free piezoelectric materials.