第一原理計算を用いた強誘電体酸化物の材料設計

摘要

近年，第一原理計算技術の進展はめざましいものがあり，未知物質の構造やその材料特性などを実験データを用いることなく予測することができるようになっている．この第一原理計算を用いれば強誘電体の特性も簡単に計算できるように思われるが，強誘電体の自発分極の定量的な計算が可能になったのは，最近のことである．強誘電体の最も基本的かつ重要な物理量はその自発分極であり，これはペロブスカイト型酸化物の場合，正と負に帯電した各構成イオンの空間反転対称性を破る変位により引き起こされる．孤立分子の場合は，その電子密度分布が第一原理計算等により決定されれば，その分子の有する自発分極は容易に計算することができる．しかし単位胞が三次元的に周期配列している固体結晶の場合は，各単位胞間に電子分布の重なりがあるため，自発分極の計算には注意が必要である．BaTiO_3を例にとって説明してみよう．BaTiO_3 は400Kで図1（a）立方晶から（b）正方晶に相転移して強誘電体となる．このときの自発分極の実験値はP_S ＝0.27C／m~2である．BaTiO_3の電子密度分布は図1（c）に示されるように単位胞間に大きな重なりがある．