掺杂铁电体中极化位移与导电的共存：一项第一性原理比较研究

极性金属十分罕见，因为金属中的自由载流子会屏蔽静电势并消除内禀偶极子。简并掺杂铁电体可能产生近似的极性金属相。我们使用第一性原理计算研究 $n$ 掺杂的 LiNbO$_3$ 型氧化物（以 LiNbO$_3$ 为原型）并与广泛研究的钙钛矿氧化物（以 BaTiO$_3$ 为原型）进行比较。在刚性带近似下，$n$ 掺杂 LiNbO$_3$ 中的显著极化位移即使在 0.3 $e$/f.u.（$\simeq$ 10$^{21}$ cm$^{-3}$）时依然持续，而 $n$ 掺杂 BaTiO$_3$ 中的极化位移迅速被抑制并在 0.1 $e$/f.u. 时完全消失。此外，在 $n$ 掺杂 LiNbO$_3$ 中，Li-O 位移比 Nb-O 位移衰减更慢，而在 $n$ 掺杂 BaTiO$_3$ 中，Ba-O 与 Ti-O 位移以近似相同的速率衰减。采用氧空位作为电子施主的超胞计算支持了刚性带近似的主要结果，并提供了更详细的电荷分布。在 LiNbO$_{3-\delta}$（$\delta = 4.2\%$）中观察到显著的阳离子位移，而在 BaTiO$_{3-\delta}$（$\delta = 4.2\%$）中阳离子位移几乎完全被抑制。我们发现 LiNbO$_{3-\delta}$ 中的传导电子不如 BaTiO$_{3-\delta}$ 中分布均匀，意味着在模拟电子掺杂 LiNbO$_3$ 型氧化物时应谨慎使用刚性带近似。我们的工作表明，在 $n$ 掺杂 LiNbO$_3$ 中极化畸变与导电可在宽电子浓度范围内共存，这是产生近似极性金属相的一种实用途径。将掺杂铁电体与掺杂半导体结合可为器件创造新功能。