Вышедшие номера
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.
  1. G.A. Jeffrey, W. Saenger. Hydrogen Bonding in Biological Structures. Springer, Berlin-Heidelberg (1991)
  2. S.J. Grabowski, ed. Hydrogen Bonding --- New Insights. Springer, Dordrecht, Netherlands (2006)
  3. A. Novak. In: Large Molecules. Structure and Bonding, Vol. 18. Springer, Berlin-Heidelberg (1974). pp. 177-216
  4. 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)
  5. 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)
  6. R.J. Nelmes, Z. Tun, W.F. Kuhs. Ferroelectrics 71, 125 (1987)
  7. R.J. Nelmes. Ferroelectrics 71, 87 (1987)
  8. W. Liu, H. Xia, X. Wang, Z. Ling, J. Xu, Y. Wei, Y. Liu, H. Han, J. Alloys Compd. 430, 226 (2007)
  9. R. Blinc, D. Had.i. Mol. Phys. 1, 391 (1958)
  10. Y. Imry, I. Pelah, E. Wiener. J. Chem. Phys. 43, 2332 (1965)
  11. R.M. Hill, S.K. Ichiki. J. Chem. Phys. 48, 838 (1968)
  12. F. Gervais, P. Simon. Ferroelectrics 72, 77 (1987)
  13. P. Simon, F. Gervais, E. Courtens. Phys. Rev. B 37, 1969 (1988)
  14. Y. Tominaga, Y. Kawahata, Y. Amo. Solid State Commun. 125, 419 (2003)
  15. Y. Mita, K. Takebe, M. Kobayashi, S. Endo, Y. Tominaga. J. Phys.: Condens. Matter 18, 5185 (2006)
  16. V.A. Abalmassov, N.V. Surovtsev. Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 82, 294 (2018)
  17. K. Shibata, S. Ikeda. J. Phys. Soc. Jpn. 61, 411 (1992)
  18. K. Mizoguchi, Y. Nakai, S. Ikeda, A. Agui, Y. Tominaga. J. Phys. Soc. Jpn. 62, 451 (1993)
  19. A.V. Belushkin, M.A. Adams. Phys. B: Condens. Matter 234-236, 37 (1997)
  20. V.A. Abalmasov, A.S. Ivanov, R.A. Sadykov, A.V. Belushkin. Phys. Rev. B 112, 214101 (2025)
  21. S. Bratos, H. Ratajczak. J. Chem. Phys. 76, 77 (1982)
  22. S. Bratos, H. Ratajczak, P. Viot. In: Hydrogen-Bonded Liquids. Springer, Netherlands (1991). pp. 221-235
  23. M.C. Lawrence, G.N. Robertson. J. Phys. C: Solid State Phys. 13, L1053 (1980)
  24. M.C. Lawrence, G.N. Robertson. Ferroelectrics 34, 179 (1981)
  25. G.N. Robertson, M.C. Lawrence. J. Physics C: Solid State Phys. 14, 4559 (1981)
  26. E. Matsushita, T. Matsubara. Prog. Theor. Phys. 67, 1 (1982)
  27. F. Fillaux, A. Cousson. Eur. Phys. J. B 89, 72 (2016)
  28. C.A. Cody, R.K. Khanna. Ferroelectrics 9, 251 (1975)
  29. R.K. Khanna, M.-H. Sun. Ferroelectrics 29, 209 (1980)
  30. H. Sugimoto, S. Ikeda. Phys. Rev. Lett. 67, 1306 (1991)
  31. S. Ikeda, H. Sugimoto, Y. Yamada. Phys. Rev. Lett. 81, 5449 (1998)
  32. D. Merunka, B. Rakvin. Phys. Rev. B 76, 140101 (2007)
  33. Y.G. Hao, X.Y. Sun, N.S. Dalal. Ferroelectrics 132, 165 (1992)
  34. B. Silvi, Z. Latajka, H. Ratajczak. Ferroelectrics 150, 303 (1993)
  35. Q. Zhang, F. Chen, N. Kioussis, S.G. Demos, H.B. Radousky. Phys. Rev. B 65, 024108 (2001)
  36. S. Koval, J. Kohanoff, R.L. Migoni, E. Tosatti. Phys. Rev. Lett. 89, 187602 (2002)
  37. S. Koval, J. Kohanoff, J. Lasave, G. Colizzi, R.L. Migoni. Phys. Rev. B 71, 184102 (2005)
  38. J. Lasave, S. Koval, N.S. Dalal, R. Migoni. Phys. Rev. B 72, 104104 (2005)
  39. J. Lasave, J. Kohanoff, R.L. Migoni, S. Koval. Phys. B: Condens. Matter 404, 2736 (2009)
  40. S. Koval, J. Lasave, J. Kohanoff, R. Migoni. Ferroelectrics 401, 103 (2010)
  41. R. Menchon, G. Colizzi, C. Johnston, F. Torresi, J. Lasave, S. Koval, J. Kohanoff, R. Migoni. Phys. Rev. B 98, 104108 (2018)
  42. C.-L. Jiang, W. Zeng, N. Yang, F.-S. Liu, B. Tang, Q.-J. Liu. Optik 223, 165645 (2020)
  43. E.A. Engel. J. Chem. Phys. 148, 144708 (2018)
  44. 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)
  45. 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)
  46. J.P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof. Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996)
  47. H.J. Monkhorst, J.D. Pack. Phys. Rev. B 13, 5188 (1976)
  48. M. Jia, X. Cheng, M.-H. Whangbo, M. Hong, S. Deng. RSC Adv. 10, 26479 (2020)
  49. T.K. Hirsch, L. Ojamae. J. Phys. Chem. B 108, 15856 (2004)
  50. T. Shigenari, K. Abe. J. Chem. Phys. 136, 174504 (2012)
  51. P. Zhang, Z. Wang, Y.-B. Lu, Z.-W. Ding. Sci. Rep. 6, 29273 (2016)
  52. C. J. Burnham, T. Hayashi, R.L. Napoleon, T. Keyes, S. Mukamel, G.F. Reiter. J. Chem. Phys. 135, 144502 (2011)
  53. J. Xu, M. Chen, C. Zhang, X. Wu. Phys. Rev. B 99, 205123 (2019)
  54. A. von Hoegen, R. Mankowsky, M. Fechner, M. Forst, A. Cavalleri. Nature 555, 79 (2018).