Поверхность потенциальной энергии и уровни энергии для валентных OH-колебаний в сегнетоэлектрике KH2PO4 из первопринципных расчетов
Абалмасов В.А.1
1Институт математики им. С.Л. Соболева, Новосибирск, Россия
Email: v.a.abalmasov@math.nsc.ru
Поступила в редакцию: 12 ноября 2025 г.
В окончательной редакции: 10 декабря 2025 г.
Принята к печати: 10 декабря 2025 г.
Выставление онлайн: 30 января 2026 г.
Сегнетоэлектрики с водородной связью отличаются двумя устойчивыми положениями атома водорода вдоль связи, соответствующими разным знакам сегнетоэлектрической поляризации. В данной работе поверхность потенциальной энергии для атома водорода вдоль водородной связи в KH2PO4 (KDP) рассчитывается с помощью теории функционала плотности (DFT) при фиксированных положениях других атомов решетки, соответствующих сегнетоэлектрической фазе. Данный потенциал имеет один минимум и сильно асимметричен для моды A1, в отличие от двухъямного потенциала, рассчитанного при отрелаксированных положениях атомов решетки. Энергия возбуждения для атомов водорода в этом потенциале близка к частотам валентных ОН-колебаний, полученным с помощью DFT в гармоническом приближении, достаточность которого для легких атомов, однако, заранее не очевидна. В результате при дейтерировании частоты изменяются аналогичным образом, что согласуется с экспериментальными данными. В то же время, частоты валентных ОН-колебаний смягчаются под давлением, что весьма необычно и отражает наличие двух устойчивых положений протона вдоль связи. Данные результаты могут быть применимы и к другим материалам с водородными связями. Ключевые слова: водородные связи, валентные OH-колебания, поверхность потенциальной энергии, сегнетоэлектрики, KH2PO4.
- G.A. Jeffrey, W. Saenger. Hydrogen Bonding in Biological Structures. Springer, Berlin-Heidelberg (1991)
- S.J. Grabowski, ed. Hydrogen Bonding --- New Insights. Springer, Dordrecht, Netherlands (2006)
- A. Novak. In: Large Molecules. Structure and Bonding, Vol. 18. Springer, Berlin-Heidelberg (1974). pp. 177-216
- R.-B. Jin, N. Cai, Y. Huang, X.-Y. Hao, S. Wang, F. Li, H.-Z. Song, Q. Zhou, R. Shimizu. Phys. Rev. Appl. 11, 034067 (2019)
- S.Y. Mironov, I.B. Mukhin, V.V. Lozhkarev, A.K. Potemkin, M.A. Martyanov, I.V. Kuzmin, E.A. Khazanov. Appl. Opt. 61, 6033 (2022)
- R.J. Nelmes, Z. Tun, W.F. Kuhs. Ferroelectrics 71, 125 (1987)
- R.J. Nelmes. Ferroelectrics 71, 87 (1987)
- W. Liu, H. Xia, X. Wang, Z. Ling, J. Xu, Y. Wei, Y. Liu, H. Han, J. Alloys Compd. 430, 226 (2007)
- R. Blinc, D. Had.i. Mol. Phys. 1, 391 (1958)
- Y. Imry, I. Pelah, E. Wiener. J. Chem. Phys. 43, 2332 (1965)
- R.M. Hill, S.K. Ichiki. J. Chem. Phys. 48, 838 (1968)
- F. Gervais, P. Simon. Ferroelectrics 72, 77 (1987)
- P. Simon, F. Gervais, E. Courtens. Phys. Rev. B 37, 1969 (1988)
- Y. Tominaga, Y. Kawahata, Y. Amo. Solid State Commun. 125, 419 (2003)
- Y. Mita, K. Takebe, M. Kobayashi, S. Endo, Y. Tominaga. J. Phys.: Condens. Matter 18, 5185 (2006)
- V.A. Abalmassov, N.V. Surovtsev. Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 82, 294 (2018)
- K. Shibata, S. Ikeda. J. Phys. Soc. Jpn. 61, 411 (1992)
- K. Mizoguchi, Y. Nakai, S. Ikeda, A. Agui, Y. Tominaga. J. Phys. Soc. Jpn. 62, 451 (1993)
- A.V. Belushkin, M.A. Adams. Phys. B: Condens. Matter 234-236, 37 (1997)
- V.A. Abalmasov, A.S. Ivanov, R.A. Sadykov, A.V. Belushkin. Phys. Rev. B 112, 214101 (2025)
- S. Bratos, H. Ratajczak. J. Chem. Phys. 76, 77 (1982)
- S. Bratos, H. Ratajczak, P. Viot. In: Hydrogen-Bonded Liquids. Springer, Netherlands (1991). pp. 221-235
- M.C. Lawrence, G.N. Robertson. J. Phys. C: Solid State Phys. 13, L1053 (1980)
- M.C. Lawrence, G.N. Robertson. Ferroelectrics 34, 179 (1981)
- G.N. Robertson, M.C. Lawrence. J. Physics C: Solid State Phys. 14, 4559 (1981)
- E. Matsushita, T. Matsubara. Prog. Theor. Phys. 67, 1 (1982)
- F. Fillaux, A. Cousson. Eur. Phys. J. B 89, 72 (2016)
- C.A. Cody, R.K. Khanna. Ferroelectrics 9, 251 (1975)
- R.K. Khanna, M.-H. Sun. Ferroelectrics 29, 209 (1980)
- H. Sugimoto, S. Ikeda. Phys. Rev. Lett. 67, 1306 (1991)
- S. Ikeda, H. Sugimoto, Y. Yamada. Phys. Rev. Lett. 81, 5449 (1998)
- D. Merunka, B. Rakvin. Phys. Rev. B 76, 140101 (2007)
- Y.G. Hao, X.Y. Sun, N.S. Dalal. Ferroelectrics 132, 165 (1992)
- B. Silvi, Z. Latajka, H. Ratajczak. Ferroelectrics 150, 303 (1993)
- Q. Zhang, F. Chen, N. Kioussis, S.G. Demos, H.B. Radousky. Phys. Rev. B 65, 024108 (2001)
- S. Koval, J. Kohanoff, R.L. Migoni, E. Tosatti. Phys. Rev. Lett. 89, 187602 (2002)
- S. Koval, J. Kohanoff, J. Lasave, G. Colizzi, R.L. Migoni. Phys. Rev. B 71, 184102 (2005)
- J. Lasave, S. Koval, N.S. Dalal, R. Migoni. Phys. Rev. B 72, 104104 (2005)
- J. Lasave, J. Kohanoff, R.L. Migoni, S. Koval. Phys. B: Condens. Matter 404, 2736 (2009)
- S. Koval, J. Lasave, J. Kohanoff, R. Migoni. Ferroelectrics 401, 103 (2010)
- R. Menchon, G. Colizzi, C. Johnston, F. Torresi, J. Lasave, S. Koval, J. Kohanoff, R. Migoni. Phys. Rev. B 98, 104108 (2018)
- C.-L. Jiang, W. Zeng, N. Yang, F.-S. Liu, B. Tang, Q.-J. Liu. Optik 223, 165645 (2020)
- E.A. Engel. J. Chem. Phys. 148, 144708 (2018)
- P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, G.L. Chiarotti, M. Cococcioni, I. Dabo, A.D. Corso, S. de Gironcoli, S. Fabris, G. Fratesi, R. Gebauer, U. Gerstmann, C. Gougoussis, A. Kokalj, M. Lazzeri, L. Martin-Samos, N. Marzari, F. Mauri, R. Mazzarello, S. Paolini, A. Pasquarello, L. Paulatto, C. Sbraccia, S. Scandolo, G. Sclauzero, A.P. Seitsonen, A. Smogunov, P. Umari, R.M. Wentzcovitch. J. Physics: Condens. Matter 21, 395502 (2009)
- P. Giannozzi, O. Andreussi, T. Brumme, O. Bunau, M.B. Nardelli, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, M. Cococcioni, N. Colonna, I. Carnimeo, A.D. Corso, S. de Gironcoli, P. Delugas, R.A. DiStasio, A. Ferretti, A. Floris, G. Fratesi, G. Fugallo, R. Gebauer, U. Gerstmann, F. Giustino, T. Gorni, J. Jia, M. Kawamura, H.-Y. Ko, A. Kokalj, E. Ku cukbenli, M. Lazzeri, M. Marsili, N. Marzari, F. Mauri, N.L. Nguyen, H.-V. Nguyen, A.O. de-la Roza, L. Paulatto, S. Ponce, D. Rocca, R. Sabatini, B. Santra, M. Schlipf, A.P. Seitsonen, A. Smogunov, I. Timrov, T. Thonhauser, P. Umari, N. Vast, X. Wu, S. Baroni. J. Physics: Condens. Matter 29, 465901 (2017)
- J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof. Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996)
- H.J. Monkhorst, J.D. Pack. Phys. Rev. B 13, 5188 (1976)
- M. Jia, X. Cheng, M.-H. Whangbo, M. Hong, S. Deng. RSC Adv. 10, 26479 (2020)
- T.K. Hirsch, L. Ojamae. J. Phys. Chem. B 108, 15856 (2004)
- T. Shigenari, K. Abe. J. Chem. Phys. 136, 174504 (2012)
- P. Zhang, Z. Wang, Y.-B. Lu, Z.-W. Ding. Sci. Rep. 6, 29273 (2016)
- C. J. Burnham, T. Hayashi, R.L. Napoleon, T. Keyes, S. Mukamel, G.F. Reiter. J. Chem. Phys. 135, 144502 (2011)
- J. Xu, M. Chen, C. Zhang, X. Wu. Phys. Rev. B 99, 205123 (2019)
- A. von Hoegen, R. Mankowsky, M. Fechner, M. Forst, A. Cavalleri. Nature 555, 79 (2018).