CC BY
28
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
УДК 548.0:537
ПОИСК ПОЛЯРНЫХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ КРИСТАЛЛОВ С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ ЦЕНТРОСИММЕТРИЧНОСТИ
© 2008 г. В.А. Иванов, Н.В. Сомов, М.А. Фаддеев, Е.В. Чупрунов
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
Поступроа в редакцию 21.01.2008
В банке структурных данных The Cambridge Crystallographic Data Centre 2006 года проведён поиск кристаллов полярных групп симметрии с высокой степенью центросимметричности атомной структуры. Эти кристаллы могут иметь высокие значения пироэлектрических коэффициентов и использоваться как перспективные пироэлектрические материалы.
Ключевнк соова: пироэлектрические материалы, кристаллы, кристаллография.
Атомная структура кристаллов определяет их физические свойства. Однако аналитическое и численное решение уравнений квантовой механики для многоатомных систем сталкиваются с практически непреодолимыми математическими трудностями. В этой связи представляет интерес выявление отдельных структурных особенностей, которые определяют те или иные свойства кристаллов и исследование этой взаимосвязи.
Одной из геометрических особенностей атомной структуры кристаллов, влияющей на их физические свойства, является псевдосимметрия, т.е. инвариантность значительной части электронной плотности относительно некоторой пространственной или некристаллографической надгруппы пространственной группы симметрии кристаллической структуры в целом [1, 2].
В [3, 4] показано, что если точечная группа симметрии молекулярного кристалла-пироэлектрика принадлежит одному из полярных классов Сп, или Спу, то, при некоторых разумных предположениях, единственная ненулевая компонента у3 вектора пирокоэффициентов анализируемого кристалла может быть записана в виде
у3 = (1/^п-д-8т 9-(Э9/ЭТ)у>Д + Р-аД’9, (1)
где п - количество молекул в элементарной ячейке, V - объём элементарной ячейки, Т -температура, 9 - угол между полярной осью кристалла и вектором электрического дипольного момента молекулы Д, Р - модуль вектора
поляризации кристалла, аД’9 - коэффициент тепловой деформации при постоянных значениях д (модуля вектора Д) и угла 9. Из выражения (1) следует, что большие по модулю значения пирокоэффициента у3 достигаются при углах 9 близких к л/2, т.е. когда дипольные моменты молекул ориентируются почти перпендикулярно полярной оси кристалла. В таких структурах значительная часть функции электронной плотности кристалла р( г) инвариантна относительно инверсии в некоторой точке, лежащей на полярной оси [3]. Положение максимума величины у3 определяется конкретной атомной структурой кристалла.
Для количественных оценок степени инвариантности атомной структуры относительно операции инверсии используется функционал
Jp(r )р(-r )dV
%[Р(Г )] = V f 2 (r)dV Jp (r )dV
(2)
где интегрирование ведется по объему элементарной ячейки [5, 6]. Оценка погрешности вычислений величины ^т[р( г)] определяется,
прежде всего, точностью вычисления координат атомов. Более значительный вклад в погрешность степени инвариантности дает обрывание ряда Фурье при вычислении функции р( г) в функционале (2). Проведённое исследование влияния последних вычисляемых слагаемых ряда на величину ^[р(г)] показало, что абсо-
лютная погрешность вычисления степени инвариантности не превышает 0.01.
Компьютерное моделирование структур пироэлектрических молекулярных кристаллов показало, что максимальные значения пирокоэффициента у3 устойчиво коррелируют с большой величиной степени центросимметричности
ЛТ[р(^)] [3].
В работе [4] была исследована взаимосвязь ориентации вектора дипольного момента молекул ряда известных кристаллов-пироэлектриков и величины пироэлектрического коэффициента. Было показано, что, действительно, большая величина пирокоэффициента у3 наблюдается в молекулярных пироэлектриках, у которых ди-польные моменты молекул образуют угол 0, близкий к л/2. Напротив, меньшим значениям углов 0 соответствуют сравнительно малые величины пирокоэффициента у3.
На основе вышеизложенного предлагается способ поиска молекулярных кристаллов, для которых могут быть характерны высокие значения пирокоэффициентов, и в которых перспективно исследование пироэлектрических свойств. Такие кристаллы, помимо принадлежности их к одному из классов симметрии Cn, или Cnv, должны иметь высокую степень инвариантности электронной плотности относительно операции инверсии.
Нами был проведён поиск в банке данных кристаллических структур The Cambridge Crys-tallographic Data Centre 2006 года [7] кристаллов с группами симметрии классов Cn, или Cnv и содержащих n молекул в элементарной ячейке. Для каждого из 30251 таких кристаллов было произведено вычисление степени центросим-метричности (2) их структур. Степень инвариантности ^т[р(^)] вычислялась относительно
операции инверсии только в тех позициях, при добавлении операции инверсии в которые получалась фёдоровская пространственная группа симметрии, являющаяся надгруппой исходной пространственной группы.
Поскольку в полярных группах симметрии начало координат вдоль полярного направления не зафиксировано, то при поиске возможного положения псевдоцентра инверсии необходимо производить вычисление величины ^т[р(^)] во всех точках вдоль всего этого направления с некоторым шагом. Затем среди всего полученного набора степеней инвариантности необходимо выбрать максимальное значение ^[р(^)], которое и будет являться псевдосимметрийной характеристикой данного кристалла. Нами был
использован шаг сканирования вдоль полярной оси, равный 0.01 размера элементарной ячейки, в направлении полярной оси. В качестве псевдоцентра симметрии выбиралась точка, в которой величина степени центросимметричности (2) достигала максимального значения.
Распределение исследованных кристаллов по степени инвариантности функции электронной плотности относительно операции инверсии ^т [р(г)] (степени центросимметричности) представлено на рис. 1а. Из 30251 представленных на рис. 1а кристаллов около 4500 органических и металлорганических структур, удовлетворяющих вышеописанным условиям, имеют степень цен-тросимметричности в интервале 0.8-1.0.
N
8000 6000 4000 -2000 0 -I
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
а)
■%[Р( r )]
N
8000 6000 4000 2000 -0 -
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
б)
■%[Р( r )]
Рис. 1. Распределение металлорганических и органических кристаллов, по степени центросимметричности функции электронной плотности "Лт[р(Г)] . N - число
кристаллов величина, ^[р(Г)] которых лежит в указанных на графике интервалах: а) - все рассмотренные кристаллы; б) - кристаллы со значением степени тяжести ниже 0.5.
Если в кристаллическую структуру входит тяжёлый атом, т.е. атом с большим химическим номером, то его рассеивающая способность является превалирующей по отношению к остальным атомам элементарной ячейки. В таких случаях значение степени центросимметричности, вычисленное по формуле (2), может оказаться близким к единице только за счёт влияния тяжёлого атома. Для количественной оценки неоднородности распределения атомов кристаллической структуры по порядковым химиче-
ским номерам X можно использовать следую щую величину г:
Я-
г = -
(3)
где Хт - химический номер самого тяжёлого атома кристаллической структуры, N - количество атомов в элементарной ячейке. Очевидно, что 0 < г < 1. Величина г близка к единице для кристаллов, в атомную структуру которых входит атом с превалирующей по отношению к остальным атомам элементарной ячейки рассеивающей способностью. Величина г равна единице для кристаллов, в которых на одну элементарную ячейку приходится один атом.
На рис. 2 представлена л - г диаграмма, на которой представлено распределение исследованных 30251 кристаллов по величине г и степени центросимметричности Лт[р(г)]. Для анализа полученного распределения целесообразно разделить л - г диаграмму на 4 части. Верхняя левая область А (0.5 < л< 1; 0 < г < 0.5) соответствует кристаллическим структурам с высокой степенью центросимметричности (2) и малой величиной г (3). В эту область попадают кристаллы, образованные атомами с близкими химическими номерами.
К?
' лШ
мт
Рис. 2. Диаграмма л - г исследованных металлоргани-ческих и органических кристаллов
Верхняя правая область В (0.5 < л< 1; 0.5 < г < 1) заполняется кристаллическими структурами с высокой степенью центросимметричности. При этом элементарная ячейка кристалла содержит один или несколько тяжелых атомов. Эти атомы вносят основной вклад в распределение электронной плотности и они, чаще всего, определяют псевдоцентросиммет-ричные свойства данного кристалла.
Нижняя левая область С (0 < л< 0.5; 0 < г < 0.5) содержит кристаллические структуры, состоящие из атомов с приблизительно одинаковыми химическими номерами и низкой степенью центросимметричности. Наконец, нижняя правая область Б (0 < л< 0.5; 0.5 < г < 1)
заполняется кристаллическими структурами с низкой степенью центросимметричности, при этом элементарная ячейка содержит один или несколько тяжелых атомов.
Из рис. 2 видно, что подавляющее большинство исследованных кристаллов располагается в областях А и С, т.е. элементарные ячейки данных структур не содержат преобладающих тяжёлых атомов. С другой стороны, у всех кристаллов с г > 0.8 значения степени центросимметричности ^1[р(г)] близки к единице, т.е. такие структуры занимают верхнюю левую часть области В. Таким образом, именно в этих кристаллах высокая степень центросимметрич-ности обусловлена вкладом тяжелых атомов в распределение электронной плотности.
Для исключения из рассмотрения кристаллов, на степень центросимметричности которых может оказывать влияние тяжёлый атом, нами было построено распределение по величине ^[р(г)] только кристаллов, принадлежащих
областям А и С, т.е. атомных структур, у которых величина г которых не превышает значения 0.5. Таких кристаллов оказалось 28547, т.е. около 94%. Результаты представлены на рис. 1б. Сравнивая рис. 1а и б, можно сделать вывод, что после исключения кристаллов с высоким значением г вид распределения не изменился. При этом количество органических и металло-рганических структур, имеющих степень цен-тросимметричности в интервале 0.8-1.0, понизилось до 3000.
Кроме того, были исследованы распределения металлорганических и органических кристаллов классов симметрии Сп, или Спу по степени центросимметричности функции электронной плотности отдельно для каждой из сингоний.
Большая часть (78%) моноклинных кристаллов класса С2 имеют степень инвариантности относительно инверсии 0.5 и ниже. Максимум распределения кристаллических структур данной сингонии характеризуется значениями степени центросимметричности в интервале от 0.1 до 0.2.
Распределение по степени центросиммет-ричности кристаллов полярной группы ромбической сингонии (точечный класс С2у) не имеет, в отличие от распределения моноклинных кристаллов, ярко выраженного максимума. Количество кристаллических структур, имеющих высокую степень центросимметричности, почти в 2 раза меньше низко центросимметричных кристаллов.
В тетрагональной сингонии вид распределения практически аналогичен виду распределе-
ния для кристаллов моноклинной сингонии. Отличие заключается лишь в том, что в тетрагональной сингонии кристаллизуется значительно меньше веществ, чем в моноклинной (3% против 60%).
Наконец, для металлорганических и органических кристаллов гексагональной сингонии распределение имеет монотонно спадающий вид. Большинство гексагональных полярных кристаллических структур имеют степень цен-тросимметричности ниже 0.1, и лишь у небольшой части этих кристаллов можно прогнозировать заметные пироэлектрические свойства.
В целом стоит отметить, что наибольшее количество кристаллов с высокой степенью инвариантности функции электронной плотности относительно операции инверсии принадлежат моноклинной и ромбической сингониям. Отношение числа полярных кристаллов с высокой степенью центросимметричности к общему числу кристаллов максимально в ромбической сингонии.
В настоящее время известно достаточно ограниченное число молекулярных пироэлектриков. Самым известным и широко применяемым из них является кристалл триглицинсульфата (ТГС), который кристаллизуется в пространственной группе Р2Т и является пироэлектриком при температуре ниже 49 ?С. Максимальное значение пироэлектрического коэффициента ТГС, равное 31.440-4 Кл/м2К, наблюдается при температуре 46 ?С. С понижением температуры величина пирокоэффициента монотонно спадает, в частности, при 20 ?С пирокоэффициент равен 0.3210-4 Кл/м2К [8].
Банк данных The Cambridge Crystallographic Data Centre 2006 содержит координаты атомов элементарной ячейки ТГС для двух температур 40 ?С и -120 ?С, которые лежат ниже точки фазового перехода при 49 ?С. Расчеты степени центросимметричности ^т [р(^)] (2) для этих кристаллических структур дали значения 0.69 и
0.47 соответственно. Таким образом, наблюдается тенденция уменьшения величины пироэлектрического коэффициента ТГС при понижении степени центросимметричности его атомной структуры.
В заключение снова обратим внимание, что перспективными кристаллами-пироэлектриками
наиболее вероятно будут являться кристаллы полярных классов симметрии Cn, или Cnv, имеющие высокую степень инвариантности электронной плотности относительно операции инверсии. В банке данных The Cambridge Crys-tallographic Data Centre 2006 [7] представлено значительное количество (более 3000) кристаллов, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям, т.е. перспективных для изучения их пироэлектрических свойств. Однако следует напомнить, что симметрия, являясь геометрической характеристикой физической системы, в общем случае может определять лишь необходимые условия существования тех или иных физических свойств. Симметрические особенности, такие как псевдосимметрия, не могут полностью определять физические свойства кристаллов, и применение такого анализа оправдано лишь совместно с привлечением физических моделей явлений [9].
Разработанная методика позволяет оптимизировать поиск новых кристаллов-пироэлектриков, используя данные об их атомной структуре.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта НШ - 4964.2006.5.
Список литературы
1. Чупрунов Е.В., Хохлов А.Ф., Фаддеев М.А. Основы кристаллографии. М.: ФМ, 2004. 500 с.
2. Чупрунов Е.В. // Кристаллография. 2007. Т. 52. № 1. С. 5.
3. Иванов В.А., Фаддеев М.А., Чупрунов Е.В. // Кристаллография. 2000. Т. 45. № 5. С. 911.
4. Иванов В.А., Фаддеев М.А., Чупрунов Е.В. // Вестник ННГУ. Серия Инновации в образовании. Вып. 1(3). Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 2002. С. 28.
5. Чупрунов Е.В., Солдатов Е.А., Тархова Т.Н. // Кристаллография. 1988. Т. 33. № 3. С. 759.
6. Иванов В.А., Фаддеев М.А. // Вестник ННГУ. Серия Физика твёрдого тела. Вып. 1(7). Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 2004. С. 111.
7. Cambridge Structure Data Center, release. 2006.
8. Costache M., Matei I., Pintilie L., Alexandra H.V., Berbecaru C. // J. of Optoelectronics and Advanced Materials. 2001. V. 3. № 1. P. 75.
9. Симонов В.И. // Кристаллография. 2003. Т. 48. № 6 (приложение).
THE SEARCH OF HIGHLY CENTROSYMMETRIC POLAR MOLECULAR CRYSTALS
V.A. Ivanov, N. V. Somov, M.A Faddeev, E. V. Chuprunov
Polar molecular crystals with high atomic structure centrosymmetry have been searched in «The Cambridge Structural Database 2006». These crystals may have high pyroelectric coefficients and show promise as innovative pyroelectric materials.
