BiFeO3中性铁电畴壁氧空位热力学稳定与电子效应的原子尺度研究

本综述通过第一性原理计算揭示了BiFeO3铁电材料中氧空位在71°、109°和180°中性畴壁（DWs）的聚集倾向（能量降低达0.3 eV）及其电子效应。研究发现空位诱导局域带内态形成小极化子，促进热激活n型传导，为畴壁导电机制（如Schottky发射）提供原子尺度解释，对铁电缺陷工程与相场模拟具有指导意义。

　　

Highlight

INTRODUCTION（引言）

铁电材料中的畴壁（DWs）是相邻均匀铁电极化畴之间的纳米尺度界面，它们打破了局部平移对称性[1][2][3]。这些纳米边界引入局部晶格畸变和结构不连续性，通常伴随应变梯度[4]以及极化不连续性。这些特征可产生体相中不具备的功能特性，例如增强导电性、

METHODS（方法）

BiFeO₃是一种铁电钙钛矿，具有三方R3c空间群对称性，并表现出约90 μC/cm²的大自发极化，沿伪立方<111>方向。这种极化导致三种常见类型的畴壁（DWs），其特征是相对极化旋转角分别为71°、109°和180°。

在本研究中，我们采用对应于全局能量最小值的电荷中性DW构型，如Diéguez等人所确定。

RESULTS AND DISCUSSION（结果与讨论）

我们采用Kr?ger-Vink符号[72]表示电中性和+2带电氧空位分别为$$和$$。如图2(b)所示，移除中性氧原子会留下两个过剩电子，这些电子局域在相邻的Fe离子上，而不是空位位点或由于中等马德隆势而离域。每个电子占据一个Fe-3d轨道，导致两个自旋极化的深带内态，在DOS中清晰可见[

CONCLUSIONS（结论）

在这项工作中，我们系统地研究了BiFeO₃中中性氧空位（$$）的热力学稳定性、原子弛豫和电子特征，重点研究了它们在铁电畴壁附近的优先形成和行为。使用第一性原理计算结合严格评估的有限尺寸外推，我们证明氧空位在所有三种类型的DWs处——尤其是在71°壁处——与体相相比显著稳定。