Nature of ferroelectric-paraelectric phase transition and origin of negative thermal expansion inPbTiO3

四方晶系 铁电性 相变 材料科学 凝聚态物理 负热膨胀 热膨胀 声子 相(物质) 电介质 从头算 物理 热力学 量子力学 光电子学
作者
Huazhi Fang,Yi Wang,Shun‐Li Shang,Zi‐Kui Liu
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:91 (2) 被引量:49
标识
DOI:10.1103/physrevb.91.024104
摘要

Ferroelectric-paraelectric (FE-PE) phase transitions have been primarily explained by the phenomenological Landau-Devonshire theory and a soft-zone-center mode of vibration in the literature. In this work, we study the atomic structure and polarization evolution of $\mathrm{PbTi}{\mathrm{O}}_{3}$ as a function of temperature using ab initio molecular dynamics simulations. In contrast to conventional molecular dynamics analyses where results are averaged over time, we categorize the atomic configurations as a function of time in terms of Ti-O bond lengths in the nearest-neighboring shell. We show that an appreciable amount of cubic configuration exists at temperatures about 300 K below its FE-PE phase transition temperature of 763 K, even though the time-averaged overall atomic configuration is tetragonal. The quantitative results depict that as the temperature increases the population of the cubic configuration increases and that of the tetragonal configuration decreases, signifying that the FE-PE phase transition is intrinsically second order. It reveals that the thermal fluctuation of the cubic configurations in the tetragonal matrix makes a significant contribution to the negative thermal expansion in the FE phase region because the cubic configuration has smaller volume and higher entropy than the tetragonal matrix.
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