О природе ионной проводимости в системе La—Li—TiO₃

Abstract

Высокоточный ab-initio метод FLAPW применен для исследования атомного и электронного строения соединения La0,5Li0,5TiO3 (LLTO). Рассчитаны полные энергии пяти упорядоченных структур, моделирующих LLTO с разным типом расположения атомов лития. На основе этих расчетов определены парные потенциалы межатомного взаимодействия Li—Li в LLTO. Эти парные потенциалы использованы для Монте-Карло-моделирования процессов упорядочения атомов лития. В результате моделирования установлено, что температура разупорядочения атомов лития в LLTO равна 450 К. Ниже этой температуры атомы лития упорядочены, и кристаллическая структура LLTO описывается группой симметрии P4/mmm (№ 123). Определены параметры элементарной ячейки LLTO и координаты атомов в ячейке. Проведено сравнение с экспериментальными данными кристаллографических исследований. Проведен детальный анализ температурных и концентрационных зависимостей числа литиевых вакансий, участвующих в проводимости. На основе полученных результатов предлагается новый ионный проводник LaxMе1/2−xLixTiO3 (Me – четырехвалентный металл, например, Ce), который обладает двумерной литиевой проводимостью. Согласно результатам расчетов, он должен обладать большей проводимостью по сравнению с известными лантан-литиевыми проводниками. Получены температурные и концентрационные зависимости числа литиевых вакансий, участвующих в проводимости.

Високоточну ab-initio методу FLAPW застосовано для дослідження атомової й електронної будови сполуки La0,5Li0,5Tio3 (LLTO). Розраховано повні енергії п’яти впорядкованих структур, що моделюють LLTO з різним типом розташування атомів літію. На основі цих розрахунків визначено парні потенціяли міжатомової взаємодії Li—Li в LLTO. Ці парні потенціяли використано для Монте-Карло-моделювання процесів упорядкування атомів літію. В результаті моделювання встановлено, що температура розупорядкування атомів літію в LLTO дорівнює 450 К. Нижче цієї температури атоми літію впорядковані, і кристалічна структура LLTO описується групою симетрії P4/mmm (№ 123). Визначено параметри елементарної комірки LLTO і коор-динати атомів у комірці. Виконано порівняння кристалографічних досліджень з експериментальними даними . Виконано й детальну аналізу температурних і концентраційних залежностей числа літійових вакансій, що беруть участь у провідності. На основі одержаних результатів пропонується новий йонний провідник LaxMе1/2−xLixTiO3 (Me – чотиривалентний метал, наприклад, Ce), який має двовимірну літійову провідність. Згідно з результатами розрахунків, він має більшу провідність у порівнянні з відомими лантан-літійовими провідниками. Одержано температурні й концентраційні залежності числа літійових вакансій, що беруть участь у провідності.

High-precision FLAPW ab initio method is used to investigate the atomic and electronic structure of La0.5Li0.5TiO3 (LLTO) compound. We have calculated total energies of five ordered structures, which simulate LLTO having different Li-atoms location types. Based on these calculations, pair potentials of Li— Li interatomic interaction in LLTO are calculated. These pair potentials are used for Monte Carlo modelling of the Li-atoms ordering processes. As determined on a basis of this modelling, the Li-atoms disordering temperature in LLTO is 450 K. Below this temperature, Li atoms are ordered, and LLTO crystal structure is specified by P4/mmm (#123) symmetry group. We have determined LLTO unit sell parameters and atomic coordinates. Comparison with the crystallography measurements data is done. We have carried out detailed analysis of the temperature and concentration dependences of the number of lithium vacancies, which take part in conductivity. Based on the results of our investigation, we propose a new ion conductor LaxMе1/2−xLixTiO3 (Me is a fourvalence metal, for example, Ce), which possess two-dimensional lithium conductivity. According to our calculations, it posses a higher lithium conductivity than known La—Li conductors. We have also obtained temperature and concentration dependences of the number of lithium vacancies, which contribute to the conductivity.