Dielectric properties and structural distortion of BaTiO3

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Barium titanate (BaTiO3) is a ferroelectric material used in many applications. In addition, since it has a simple crystal structure, it has an advantage that an artificial ceramic can be easily produced. However, Barium titanate (BaTiO3) has dielectric properties sensitive to thickness. It is known that as the thickness of BaTiO3 becomes thin, the ferroelectric polarization disappears due to its influence on the surface. The surface of BaTiO3 with perovskite structure generates an electric field opposite to the direction of dielectric polarization by the surface effect. This electric field makes it difficult to maintain the dielectric polarization and the ferroelectricity disappears. We adapted BaTiO3 slab structure with different thickness for the first principles calculation. Two termination of the surfaces (i.e. TiO2 and BaO surface) were considered. As the thickness of BaTiO3 decreased down to a few unit cell thickness, dielectric constant decrease rapidly. The surface structure of the thin BaTiO3 were analyzed and the decrease in the dielectric constant was attributed to surface structure.

국문 초록 (Abstract)

티탄산바륨(BaTiO3)은 많은 응용분야에서 사용되고 있는 강유전체이다. 또한, 간단한 결정구조를 가지고 있기 때문에 인공적인 세라믹을 쉽게 만들 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 티탄산바륨(BaTiO3)은 두께에 민감한 유전 특성을 가지고 있습니다. BaTiO3의 두께가 얇아지면 강유전체 분극이 표면에 미치는 영향으로 강유전성 분극이 사라지는 것이 알려져 있다. 페로브스카이트 구조(perovskite)를 갖는 BaTiO3의 표면은 표면 효과에 의해 유전 분극 방향과 반대 방향의 전기장(depolarization field)을 발생시킨다. 이 전기장은 유전 분극량을 유지하기 어렵게 하여 강유전성이 사라집니다. 우리는 제 1 원리 계산을 위해 두께가 다른 BaTiO3 슬래브 구조를 채택했습니다. 표면의 2개의 Termination (즉, TiO2 및 BaO 표면)을 고려되었다. BaTiO3의 두께가 단위 셀 두께의 몇 배로 감소함에 따라 유전율은 급격히 감소한다. 얇은 BaTiO3의 표면 구조가 분석되었고 유전율의 감소는 표면 구조에 의해 영향을 받았다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT 1
• CHAPTER 1: INTRODUCTION 2
• CHAPTER 2: Numerical Background 5
• 2.1. Density Functional Theory 5
• 2.2. Pseudopotential 6
• 2.3. Local Density Approximation and Generalized Gradient Approximation 7
• 2.4. Density Functional Perturbation Theory 8
• CHAPTER3: Ferroelectric BaTiO3 10
• 3.1. Introduction 10
• 3.2. Phase Transitions and Polarization in BaTiO3 10
• 3.3. Computational Details 13
• 3.4. Structure Design of Bulk and Slab System 15
• CHAPTER4: Properties of BaTiO3 19
• 4.1. Structural Stability of BaTiO3 Bulk 19
• 4.2. Polarization and dielectric constant 22
• 4.3. Surface of BaTiO3 Slab 28
• 4.4. Critical thickness and Polarization of BaTiO3 Slab 29
• 4.5. Thickness Dependent Dielectric Property 31
• CHAPTER5: Discussions 34
• REFERENCES 36
• KOREAN ABSTRACT 38