Экспериментальное исследование и ab initio расчет свойств Sc-, In-допированных титанатов висмута со структурой типа пирохлора

Abstract

С использованием ab initio расчетов получены данные о структурных, электронных, оптических свойствах титаната висмута со структурой типа пирохлора и соединений с замещением атомами скандия, индия позиций висмута, титана. Результаты теоретических расчетов согласуются с экспериментально полученными структурными и оптическими характеристиками синтезированных допированных соединений. Показано, что замещение атомов висмута в структуре пирохлора атомами Sc или In энергетически выгодно. На основании данных оптической спектроскопии образцов определены величины энергии, соответствующие прямому и непрямому переходам в Sc-, In-допированных титанатах висмута, которые находятся в согласии с теоретически рассчитанными значениями. ВведениеСоединения на основе титаната висмута со струк-турой типа пирохлора перспективны как материалы с высокой диэлектрической проницаемостью, малым током утечки [1-4] и смешанные электронно-ионные проводники [5,6]. Кроме того, Bi 2 Ti 2 O 7 получаемый в на-норазмерном состоянии, обладает фотокаталитической активностью в видимой области спектра [7][8][9][10].. В настоящей работе для проведения ab initio расчетов использовалась A-центрированная конфигура-ция: катион A (Bi) помещался в позицию 16c (0; 0; 0), катион B (Ti) -в позицию 16d (0.5; 0.5; 0. может приводить к смещениям атомов висмута из высо-косимметричных позиций в позиции 96h, 96g или 192i и вследствие этого к смещениям атомов O ′ . Такие особен-ности кристаллического строения являются причинами термической нестабильности стехиометрической фазы Bi 2 T 2 O 7 , что ограничивает возможность его получения в виде плотной керамики с помощью твердофазной ре-акции и дальнейшее практическое использование [1,17].Стабильность кристаллической структуры пирохлора титаната висмута может быть достигнута путем замеще-ния части катионов висмута катионами других элемен-тов с меньшим ионным радиусом. Так, с использованием реакции твердофазного синтеза были получены термо-стабильные титанаты висмута со структурой пирохлора, допированные атомами Cr, Mn, Fe, Cu, Zn, Y и Nd, и изучены их электрофизические свойства [5,6,[18][19][20][21][22][23][24][25].Ранее с помощью ab initio расчетов были получены данные об электронной структуре и оптических свой-ствах стехиометрического Bi 2 Ti 2 O 7 [1,16,[26][27][28][29][30][31][32]. Авторы упомянутых работ показали, что это соединение отно-сится к диэлектрикам с прямым электронным переходом и величиной запрещенной щели 2.6−2.85 eV [29,32]. Позже было выявлено, что при замещении части ато-мов Ti 3d-элементами (Fe, Ni, Cr, Mn и V) происходит формирование новых энергетических состояний внутри запрещенной щели и длинноволновый сдвиг в спек-трах поглощения (по сравнению со стехиометрическим