利用VASP研究BaTiO3中參雜稀土元素與氧空缺的交互作用

BaTiO₃ (鈦酸鋇)因為具有很高的介電常數(Dielectric Constant)，因此是備受重視的陶瓷材料。對此材料的應用中，又以多層陶瓷電容(Multilayer Ceramic Capacitor)最受注目，可達到非常高的電容值。然而製造過程中，材料形成的氧空缺會破壞鈦酸鋇的絕緣性。因此經常會對本化合物進行稀土或鹼土類元素的參雜，藉此穩定材料的絕緣性。

參雜稀土元素後可以有效捕捉(Trap)氧空缺，但實際機制仍須計算理論解釋。村田製造所(Murata Manufacturing)的Atsushi Honda 等人，利用VASP進行理論計算，在鈦酸鋇中參雜多種稀土元素，如圖1、圖2為例，作者分別使用稀土元素取代鋇原子與鈦原子後，討論了各種氧空缺可能，計算出氧空缺與參雜元素的交互作用能量。不但顯示出氧空缺的確會有效被稀土元素捕捉住，也討論出氧空缺出現的可能位置。

最後，作者利用離子大小為出發點，輔以晶格參雜後的變形狀況，對氧空缺出現的位置以及帶來的變形量做出合理的解釋。由於各種稀土元素離子半徑不同，按照作者群的詮釋，我們應可預測結果會與離子大小正相關，而圖三也的確支持作者群的結論。

本文資料來自Atsushi Honda等人所發表文章 ” Theoretical Study on Interactions between Oxygen Vacancy and Doped Rare-Earth Elements in Barium Titanate” (DOI: 10.1143/JJAP.50.09NE01)

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圖一：取代位置為Ba原子時，參雜元素與氧空缺的交互能量。

圖二：取代位置為Ti原子時，參雜元素與氧空缺的交互能量

圖三：參雜取代後雜質原子的偏移量，與交互能量的關聯圖。