Предложены структурные модели ближнего порядка в расположении структурных вакансий для стехио-метрического и нестехиометрических составов монооксида титана TiOy . Исследовано совместное влияние ближнего порядка и нестехиометрии на энергию основного состояния и электронную структуру соединения первопринципными методами. Энергетически выгодные модели ближнего порядка воспроизводят локальное распределение атомов и вакансий, свойственное сверхструктурам Ti5O 5(mon) и Ti5O 5(cub) . При этом корреляции между вакансиями металлической подрешетки и вакансиями неметаллической подрешетки дают больший вклад в понижение энергии по сравнению с корреляциями между вакансиями только в одной из подрешеток.Работа выполнена при поддержке проекта РФФИ № 15-03-00453 и 14-02-00636.
Вычисления проведены на суперкомпьютере "Уран" ИММ УрО РАН.
ВведениеВ кристаллической структуре многих соединений пе-реходных металлов присутствуют структурные вакансии. Данный дефект представляет собой узел кристалличе-ской решетки, не занятый атомом. В отличие от термиче-ских вакансий их концентрация практически не зависит от температуры. Со структурными вакансиями связаны разнообразные эффекты нестехиометрии, ближнего и дальнего порядка [1-3], позволяющие путем изменения количества вакансий в подрешетках, а также способа их размещения в структуре синтезировать множество фаз и модификаций с различными свойствами.В этом смысле наиболее примечательным соедине-нием является нестехиометрический монооксид титана TiO y . Он обладает базисной кристаллической структу-рой B1 и в отличие от большинства других предста-вителей группы сильно нестехиометрических соедине-ний [1-3] содержит вакансии как в металлической, так и в неметаллической подрешетках. При нестехиометри-ческом составе вакантными являются около 15% узлов металлической и неметаллической подрешеток [4][5][6][7]. Нестехиометрия реализуется за счет уменьшения кон-центрации вакансий в одной из подрешеток и роста их концентрации в другой. Область гомогенности зависит от температуры, ее нижняя граница лежит ниже y = 0.8, верхняя -выше y = 1.25. При этом на границах области гомогенности содержание вакансий в одной из подрешеток достигает 25%, в другой -стремит-ся к нулю [8].В зависимости от способа размещения вакансий по узлам базисной кристаллической структуры в моноок-сиде титана образуется неупорядоченная фаза или упо-рядоченные фазы со сверхструктурами Ti 5 O 5(mon) (про- [9][10][11]. В неупорядо-ченной фазе вакансии располагаются по узлам подреше-ток без дальнего порядка и не нарушают симметрию ба-зисной кристаллической структуры. При упорядочении вакансии перераспределяются по узлам подрешеток, в структуре возникает дальний порядок, и ее симметрия понижается [4][5][6][7][8][9][10][11].Влияние структурных вакансий, а также их упо-рядочения на электронную структуру и стабильность моноксида титана стало темой множества теоретических работ [12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28]. Наиболее достоверные данные получены для фазы без структурных вакансий и фаз с идеаль-но упорядочен...