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See detailFirst-principles study of tungsten trioxide:structurale properties and polaron formation
Hamdi, Hanen ULg

Doctoral thesis (2017)

Résumé L’oxyde de tungstène (WO 3 ) est un composé qui a été énormément étudié du fait de la richesse de ses propriétés physiques et de leurs utilisations pour des applications technologiques. En effet ... [more ▼]

Résumé L’oxyde de tungstène (WO 3 ) est un composé qui a été énormément étudié du fait de la richesse de ses propriétés physiques et de leurs utilisations pour des applications technologiques. En effet, WO 3 est le matériau électrochromique le plus connu grâce à sa capacité de changer de couleur de manière réversible lorsqu’il est soumis à des ondes électromagnétiques ou bien sous l’application d’un champ électrique. Au niveau industriel, les matériaux électrochromiques, dont WO 3 fait partie, sont utilisés principalement dans la fabrication de fentêres à haut rendement énergétique, de verres intelligents, de rétroviseurs anti-reflets, de toits ouvrants, de batteries ou de cristaux photoniques accordables. Il est intéressant de noter que toutes ces propriétés sont liées au dopage et donc directement à la formation de polarons et de bipolarons qui vont influencer les transporteurs de charges. Bien que ce composé ai été largement étudié expérimentalement et théoriquement, il reste encore des questions pertinentes et non résolues concernant les propriétés structurales de WO 3 et la caractérisation des polarons dans WO 3−x . Cette thèse est ainsi dédiée en premier temps, à analyser et comprendre les différentes tran- sitions de phase du WO 3 sur base de calculs ab-initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et de reproduire les mesures expérimentales. Plus particulièrement, nous avons montré que WO 3 est un matériau anti-ferroélectrique à l’état fondamental et que c’est possible de le rendre ferroélectrique sous l’application d’un champs électrique. En second temps, nous avons élargi nos précédentes études de WO 3 à l’état pur sans defaut, en explo- rant théoriquement les effets des lacunes d’oxygène sur les propriétés physiques de WO 3 . Nous avons discuté le développement du polaron, qui est due à l’ajout d’un électron extèrieur dans la supercellule de l’état fondamentale de WO 3 , en fonction de la taille de la supercellule en utilisant des calculs de premier principe. Nous avons ainsi confirmé des travaux expérimentaux précédents reliés au polaron dans WO3 . [less ▲]

Full Text
Peer Reviewed
See detailFirst-principles reinvestigation of bulk WO3
Hamdi, Hanen ULg; Salje, Ekhard K. H.; Ghosez, Philippe ULg et al

in Physical Review B (2016), 94

Using first-principles calculations, we analyze the structural properties of tungsten trioxide WO3. Our calculations rely on density functional theory and the use of the B1-WC hybrid functional, which ... [more ▼]

Using first-principles calculations, we analyze the structural properties of tungsten trioxide WO3. Our calculations rely on density functional theory and the use of the B1-WC hybrid functional, which provides very good agreement with experimental data. We show that the hypothetical high-symmetry cubic reference structure combines several ferroelectric and antiferrodistortive (antipolar cation motions, rotations, and tilts of oxygen octahedra) structural instabilities. Although the ferroelectric instability is the largest, the instability related to antipolar W motions combines with those associated to oxygen rotations and tilts to produce the biggest energy reduction, yielding a P21/c ground state. This nonpolar P21/c phase is only different from the experimentally reported P c ground state by the absence of a very tiny additional ferroelectric distortion. The calculations performed on a stoichiometric compound so suggest that the low-temperature phase of WO3 is not intrinsically ferroelectric and that the experimentally observed ferroelectric character might arise from extrinsic defects such as oxygen vacancies. Independently, we also identify never observed R3m and R3c ferroelectric metastable phases with large polarizations and low energies close to the P 21 /c ground state, which makes WO3 a potential antiferroelectric material. The relative stability of various phases is discussed in terms of the anharmonic couplings between different structural distortions, highlighting a very complex interplay. [less ▲]

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