Investigation on the structural, elastic, electronic and optical properties of BaTiO₃: An ab initio study

Abstract

This study aims to analyze the physical properties of the compound (BaTiO₃ Barium Titanate) using Density Functional Theory (DFT) and the PP-PW method within the CASTEP program. The research included the study of the structural, electronic, elastic, and optical properties of the compound under the influence of pressure, with a comparison of the results to the available theoretical and experimental data. The results showed that increasing pressure leads to a decrease in the lattice constant and cell volume, indicating the compressibility of the material. The elastic properties also showed a significant improvement in the compound's resistance to stress, with increases recorded in the elastic moduli such as C₁₁, C₁₂, and the bulk modulus B. From an electronic perspective, a slight increase in the energy gap was observed from 2.071 eV to 2.205 eV at 15 GPa, reflecting the effect of pressure on the band structure. As for the optical properties, there has been an improvement in the absorption coefficient, optical conductivity, and reflectivity, highlighting the potential use of BaTiO₃ in advanced electro-optical applications. These results confirm that the compound BaTiO₃ possesses multiple and distinctive properties under pressure, making it a promising candidate in the fields of electronics, solar cells, and sensors. They also support its consistency with previous literature, providing new insights into the material's behavior under harsh conditions ==================================================================================================== Cette etude vise à analyser les proprietes physiques du compose (BaTiO₃, titanate de baryum) en utilisant la theorie de la fonctionnelle de densite (DFT) et la methode PP-PW dans le programme CASTEP. La recherche a inclus l'etude des proprietes structurelles, electroniques, elastiques et optiques du compose sous l'effet de la Pressure, en comparant les resultats avec les donnees theoriques et experimentales disponibles. Les resultats ont montre que l'augmentation de la Pressure entraîne une diminution de Parametre du maill et du volume de la maille, ce qui indique la compression du materiau. Les proprietes elastiques ont egalement montre une amelioration significative de la resistance du compose à la contrainte, avec des augmentations enregistrees dans les coefficients d'elasticite tels que C₁₁ et C₁₂, ainsi que le module de compression B. D'un point de vue electronique, une legère augmentation de la bande interdite a ete observee, passant de 2,071 eV à 2,205 eV à 15 GPa, ce qui reflète l'effet de la Pressure sur la structure de bande. Quant aux proprietes optiques, elles ont montre une amelioration du coefficient d'absorption, de la conductivite optique et de la reflectivite, mettant en evidence l'applicabilite de BaTiO₃ dans les applications electro-optiques avancees. Ces resultats confirment que le compose BaTiO₃ possède des proprietes multiples et distinctes sous Pressure, ce qui en fait un candidat prometteur dans les domaines de l'electronique, des cellules solaires et des capteurs. Ils soutiennent egalement sa compatibilite avec les resultats de la litterature precedente, tout en offrant de nouvelles perspectives sur le comportement du materiau dans des conditions extrêmes.