KNbO3高压下相变行为的第一性原理研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0068

摘要/Abstract

摘要： 为了深入掌握钙钛矿氧化物KNbO₃在高压条件下的相变行为，并为铁电材料在极端条件下的工程应用提供关键参数，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，在绝对零度（0 K）条件下，对KNbO₃高压下的结构相变、弹性性质及电子性质进行系统研究。计算结果表明，在零压下，KNbO₃的最稳定结构为正交Amm2结构，材料表现为延展性，且为中心力固体。在0~50 GPa压力范围内，KNbO₃经历了两次相变：7.7 GPa时，由正交Amm2结构转变为四方P4mm结构；10.1 GPa时，由四方P4mm结构转变为三方R3mR结构。两次相变均伴随着体积变化，为一级相变。弹性分析显示，KNbO₃在相变过程中经历了从延展性到脆性的转变，并且具有弹性各向异性特征。能带结构分析表明，零压下Amm2结构的带隙为2.125 eV，为间接带隙半导体。随着压力的增加，带隙先减小后增大。本研究不仅丰富了对KNbO₃相变行为的理解，还为设计和应用新型KNbO₃材料提供了理论支持。

关键词: KNbO₃; 第一性原理; 密度泛函理论; 结构相变; 弹性性质; 电子性质

Abstract: To gain a comprehensive understanding of the phase transition behavior of perovskite oxide KNbO₃ under high pressure conditions， and provide crucial parameters for the engineering applications of ferroelectric materials under extreme conditions， a first-principles method based on density functional theory was employed in this study. The structural phase transitions， elastic properties， and electronic properties of KNbO₃ under high pressure were systematically investigated at absolute zero （0 K）. The results indicate that the most stable structure of KNbO₃ is the orthorhombic Amm2 structure at zero pressure. The material exhibits ductility and is characterized as a central-force solid. Within the pressure range from 0 GPa to 50 GPa， KNbO₃ undergoes two phase transitions： from the Amm2 structure to the tetragonal P4mm structure under 7.7 GPa， and from the P4mm structure to the trigonal R3mR structure under 10.1 GPa. Both phase transitions are accompanied by volume changes and are classified as first-order phase transitions. Elastic analysis reveals that KNbO₃ transitions from ductility to brittleness during the phase transitions and exhibits significant elastic anisotropy. Band structure analysis shows that the band gap of the Amm2 structure under zero pressure is 2.125 eV， indicating an indirect band gap semiconductor. As pressure increases， the band gap initially decreases and then increases. This study not only enriches the understanding of the phase transition behavior of KNbO₃， but also provides theoretical support for the design and application of new KNbO₃ materials.

Key words: KNbO₃; first-principle; density functional theory; structural phase transition; elastic property; electronic property

中图分类号:

O482

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图/表 8

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Parameter	Amm2， 0 GPa	P4mm，0 GPa	P4mm，7.7 GPa	R3mR，0 GPa	R3mR，10.1 GPa
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C₁₄/GPa	—	—	—	-30	4
C₂₃/GPa	22.7	—	—	—	—
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B/GPa	88.1	110.63	179	75	145
G/GPa	47.2	99.39	94	61	145
E/GPa	120.2	229.45	240	144	328
ν	0.27	0.15	0.28	0.179	0.125
B/G	1.86	—	1.9	1.2	1
C₄₄/C₆₆	—	-1.01	—	—	—

KNbO₃高压下相变行为的第一性原理研究

First-Principles Study on the Phase Transition Behavior of KNbO₃ under High Pressure

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