In this dissertation, we study the defect and doping characteristics of bismuth ferrite ($BiFeO_3$) and calcium ferrite ($CaFeO_{3-x}$) using first-principles calculations. In addition, we analyze adjustable optical properties and propose microscopic electrochromic mechanisms in these materials. The stabilities and electronic structures of oxygen vacancy and calcium substitutional defects in $BiFeO_3$ are analyzed. In Ca doped $BiFeO_3$, the hole polaron and bipolaron can be formed and they become absorption centers in wider energy range than the absorption range described by oxygen defects. Such a hole polaron and bipolaron can be a successful model for explaining the mechanism of the prominent electrochromic phenomenon of recently reported Ca-doped $BiFeO_3$. The topotactic transition between the brownmillerite $CaFeO_{2.5}$ and the perovskite $CaFeO_3$ is analyzed with atomic and electronic structure. The changes in structure and electron correlation caused by the migration of oxygen vacancies induce drastic changes in optical properties in the visible light region. This transition can be the atomic origin of the electrochromic phenomena.
본 학위 논문에서는 제일 원리 계산을 이용하여 비스무트 페라이트 ($BiFeO_3$)와 칼슘 페라이트 ($CaFeO_{3-x}$)의 결함 및 도핑 특성을 이해하였다. 또한, 결함과 도핑으로 조정 가능한 광학 특성을 분석하고 이러한 재료에서 전기 변색 현상의 메커니즘을 제안하였다. 첫째, $BiFeO_3$에서 산소 결함과 칼슘 결함의 안정성과 전자 구조를 분석하였다. Ca 도핑된 $BiFeO_3$에서는 정공 폴라론과 바이폴라론이 형성될 수 있으며, 산소 결함으로 설명되는 흡광 영역에서보다 더 넓은 영역에서 흡광 중심이 될 수 있다. 이러한 정공 폴라론과 바이폴라론은 최근 보고된 Ca도핑 $BiFeO_3$의 우수한 전기 변색 현상의 원리를 설명하는 성공적인 모델이 될 수 있다. 둘째, 칼슘 철산화물의 산소 결함 채널의 존재 유무에 따른 브라운밀러 $CaFeO_{2.5}$와 페로브스카이트 $CaFeO_3$에서 원자 구조와 전자 구조의 차이를 분석하였다. 산소 결함의 이동은 구조와 전자 상호작용의 변화에 의해 가시 광선 영역에서 급격한 광학 특성 변화를 유도한다. 이를 기반으로 전기 변색 현상을 이해하는 새로운 모델을 제시하였다.
