Exploring anharmonic lattice dynamics and dielectric relations in niobate perovskites from first-principles self-consistent phonon calculations

作者
Kwangrae Kim,Woohyun Hwang,Seung‐Hyun Victor Oh,Aloysius Soon
出处
期刊:npj computational materials [Nature Portfolio]
卷期号:9 (1) 被引量:38
标识
DOI:10.1038/s41524-023-01110-8
摘要

Abstract Group I niobates (KNbO 3 and NaNbO 3 ) are promising lead-free alternatives for high-performance energy storage applications. Despite their potential, their complex phase transitions arising from temperature-dependent phonon softening and anharmonic effects on dielectric properties remain poorly explored. In this study, we employ density-functional theory (DFT) and self-consistent phonon (SCP) calculations to investigate finite-temperature phonons in cubic niobate perovskites. To include explicit anharmonic vibrational effects, SCP frequencies are shifted by the bubble self-energy correction within the quasiparticle (QP) approximation, providing precise descriptions of phonon softening in these strongly anharmonic solids. We further calculate the static dielectric constant of KNbO 3 and NaNbO 3 as a function of temperature using the Lyddane-Sachs-Teller (LST) relation and QP-corrected phonon dispersions. Our theoretical results align with experimental data, offering reliable temperature-dependent phonon dispersions while considering anharmonic self-energies and thermal expansion effects, enhancing our understanding of the complex relations between lattice vibrations and phase transitions in these anharmonic oxides.

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