Master's Thesis

First-principles studies of the electronic and structural properties of Lead Zirconate Titanate (PZT)

Final Thesis 3.65 MB

Author of thesis: Dr. techn. Jakub Planer

Acad. year: 2016/2017

Supervisor: doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Martin Friák, Ph.D.

Abstract:

This work is focused on Density Functional Theory (DFT) calculations of oxygen vacancy diffusion barriers in mixed perovskite lead zirconate titanate and its pure counterparts. We found out that barrier heights are different in lead titanate and lead zirconate caused by the different localization of the excess electrons due to the oxygen vacancy formation. Diffusion barriers were also determined for titanium-rich mixed phases and compared to experimental values. This work contributes to clarify unusually low experimentally measured diffusion coefficients in PZT. We found out that the induced vacancy states are forming localized bonds to the lead atoms which causes the oxygen vacancies to become immobile due to the increase of the activation energy of the diffusion process.

Keywords:

lead zirconate, lead titanate, lead zirconate titanate, oxygen vacancies, diffusion, activation energy, density functional theory

Date of defence

20.06.2017

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (M2A-P)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Eduard Schmidt, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Jakub Planer vypracoval diplomovou práci jako pokračování svého ERASMUS pobytu na Technische Universitat Wien (TUW) ve výpočetní skupině pod vedením profesora Redingera. Zde nejprve úspěšně pracoval na problému metastabilních fází oxidu zirkoničitého (ZrO2) přítomného na rozhranní kov/oxid s pomocí ab-initio výpočtů na principu teorie funkcionálu hustoty (DFT), který rakouská skupina řešila v rámci výzkumného grantu (FWF SFB FOXSI). Výsledky této práce Jakub vynikajícím způsobem prezentoval na letním setkání německé fyzikální společnosti v březnu 2017.
V rámci své diplomové práce se Jakub zaměřil na olovo zirkonát/titanát (PZT), kde dříve získaná experimentální data (v rámci FWF SFB FOXSI) svědčila o zajímavém jevu souvisejícím s iontovou a elektronovou vodivostí uvnitř tohoto systému. Protože mnoho experimentálních analýz záviselo na dobré znalosti oxidových difúzních bariér, Jakub studoval tyto bariéry pomocí různých ab-initio přístupů. První čtyři kapitoly diplomové práce se stručně zabývají použitými výpočetními metodami, což zahrnuje popis Kohnova-Shamova DFT k řešení mnohočásticového kvantově-mechanického problému a tři přístupy k nalezení difuzních bariér oxidu. V následujících kapitolách podrobně diskutuje své objevy pro PbTiO3, PbZrO3 a smíšenou fázi PbZrxTi(1-x)O3 (PZT). Pečlivě analyzuje a prezentuje své výpočetní výsledky a dochází k velmi zajímavých závěrům: Zirkon a titan se při vytváření difuzních bariér chovají odlišně (O-bariéra: PbTiO3
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Martin Friák, Ph.D.

Student vypracoval vynikající diplomovou práci, která naprosto splňuje všechny požadavky a cíle zadání. Postup a rozsah řešení jsou přímo vzorné a odpovídají stanovenému problému za použití adekvátních metod (zvláštní pozornost si zaslouží mimořádně chválihodné použití několika různých metod při výpočtu difuzních energetických bariér kyslíkových vakancí). Vlastní přínos studenta a originalitu hodnotím známkou velmi dobře vzhledem k tomu, že se jedná o standardní výpočetní postupy, které však student výborně zvládl. Student prokázal schopnost analyzovat dosažené výsledky a správně z nich vyvozovat závěry. Výsledky budou zcela jistě v budoucnu využity jak při analýze experimentálních dat, tak pro navazující teoretická zkoumání (předložená práce obojí již částečně obsahuje). Grafická a stylistická úprava je jednoznačně vynikající (zahrnuté obrázky jsou opravdu mimořádně zdařilé) a celá práce je logicky velmi dobře uspořádaná a splňuje všechny formální náležitosti. Pravopis a jazyková stránka jsou na velmi vysoké úrovni. Autor práce také výborně pracuje s dostupnou literaturou, která je vzorně citována.
V souhrnu bych chtěl říct, že se jedná o opravdu mimořádně zdařilou diplomovou práci, ze které vzejde minimálně jedna velmi dobře impaktovaná a citovaná odborná publikace, a předloženou diplomovou práci tedy celkově hodnotím známkou A (výborně) a jednoznačně ji doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Mohl by student ukázat pásovou elektronovou strukturu alespoň pro některé fáze zkoumaných materiálů, pro které diplomová práce obsahuje hustoty stavů (např. obrázky 6.4, 6.5, 6.6, 6.8, 6.19)?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová