Publication

Pressure, relaxation volume, and elastic interactions in charged simulation cells

Céline Varvenne
2015
Article
Résumé

The ab initio calculation of charged supercells within density-functional theory is a necessary step to access several important properties of matter. The relaxation volume of charged point defects or the partial molar volume of ions in solution are two such examples. However, the total energy and therefore the pressure of charged systems is not uniquely defined when periodic boundary conditions are employed. This problem is tightly related to the origin of the electrostatic potential in periodic systems. This effect can be easily observed by modifying the electrostatic convention or modifying the local ionic potential details. We propose an approach to uniquely define the pressures in charged supercells with the use of the absolute deformation potentials. Only with such a definition could the ab initio calculations provide meaningful values for the relaxation volumes and for the elastic interactions for charged defects in semiconductors or ions in solution. The proposed scheme allows one to calculate sensible data even when charge neutrality is not enforced, thus going beyond the classical force-field-based approaches.

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Schottky defect
A Schottky defect is an excitation of the site occupations in a crystal lattice leading to point defects named after Walter H. Schottky. In ionic crystals, this defect forms when oppositely charged ions leave their lattice sites and become incorporated for instance at the surface, creating oppositely charged vacancies. These vacancies are formed in stoichiometric units, to maintain an overall neutral charge in the ionic solid. Schottky defects consist of unoccupied anion and cation sites in a stoichiometric ratio.
Charge électrique
La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui lui permet d'interagir par le biais de champs électromagnétiques. Il s'agit d'une grandeur scalaire, qui joue pour l'interaction électromagnétique le même rôle que la masse pour l'interaction gravitationnelle. Toutefois, contrairement à cette dernière, il existe deux types de charges électriques que l'on distingue par leurs signes positif ou négatif. Des charges de même signe se repoussent, tandis que celles de signes opposés s'attirent.
Défaut ponctuel
En cristallographie, les défauts ponctuels sont des défauts dans l'organisation des cristaux qui ne concernent que des nœuds isolés. Le cristal parfait est un empilement régulier et infini d'atomes, ions ou molécules. Considérons le cas simple d'un cristal atomique ou ionique. Un défaut ponctuel typique est l'absence d'un atome (lacune), la présence d'un atome du réseau entre les atomes (défaut interstitiel), la présence d'un atome étranger entre les atomes du réseau (solution solide interstitielle) ou à la place d'un atome du réseau (solution solide de substitution).
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