第一原理計算によるセラミックスの有限温度物性に関する研究

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本研究は,セラミックスの相転移挙動,熱力学量といった有限温度物性に関する問題に対して,フォノン状態の第一原理計算を中心的手段として理論計算の立場から取り組んだものである.まず,複合酸化物の格子不安定性と相転移の定量的研究として,LaAlO3および関連ペロブスカイト化合物を計算対象にとりあげ,その相転移挙動の解析を試みた.LaAlO3の圧力誘起相転移に関して,実験では観測が困難な秩序パラメータの定量的解析を行い,この化合物のソフトモードの挙動が従来知られていた変位型相転移の一般則に反するものであることを確認した.さらに関連するペロブスカイト型化合物における系統的な計算から,LaAlO3において見出されたのと同様の振る舞いが他の化合物においても観測される可能性があることを示した.次に,フォノン状態計算の有限温度熱力学的物性への応用として,擬調和近似にもとづく炭素同素体および窒化瑚素多形の有限温度物性の定量的評価を行った.フォノン分散の計算結果は実験で観測されている振動数をよく再現し,グラファイト中の面内のボンド伸縮に関係するモードはダイヤモンド中の格子振動よりも高い振動数を持つことが示された.また,擬調和近似により求められた熱膨張係数,体積弾性率,および比熱の温度依存性はいずれも実験値と良い一致を示した.最後に,第一原理計算による新規材料開拓の試みとして,REMO3化合物(RE=希土類,M=Ga, In)の結晶構造,格子不安定性,強誘電的特性に関する系統的研究を行った.全エネルギーの計算結果から,REGaO3化合物ではREの系列の途中でペロブスカイト型構造から六方晶LuMnO3型構造への遷移が起こり,REInO3化合物では全てのREに対して六方晶構造が安定であることが見出された.六方晶LuMnO3型構造を有する化合物においては強誘電性の発現が期待される.これらの化合物に関する自発分極の計算から,従来報告されている同型化合物を上回る自発分極を持つ新規強誘電材料開発の可能性が示唆された.