掺杂钛酸钡薄膜的电子结构及光学性质

发布时间：2020-11-14 01:55

　　 近年来,因为铁电材料在光电功能器件中的潜在应用,对铁电材料光学性质的研究很活跃。铁电薄膜具有电场调控光伏特性、较高的光电转换效率以及输出较高的光生电压等优点。由于自由载流子可以屏蔽偶极子之间库仑相互作用,铁电性一直被认为不能与金属性共存。但是最近,相关实验证明铁电性和金属性可以共存。例如随着钛酸钡材料电子掺杂浓度的提高,体系的电阻表现出金属材料的导电行为,且钛酸钡块材会发生四方相到立方相的结构相变。因此,研究电子掺杂铁电块材和铁电薄膜是非常有意义的,尤其是其中的金属-绝缘相变、结构相变以及光学性质等具有非常丰富的物理图像。本论文利用第一性原理计算方法,研究La掺杂BaTi O_3薄膜以及电子掺杂BaTiO_3块材,详细研究了掺杂对铁电材料电子结构以及光学性质的影响。我们的研究内容可以概括为以下两个方面:1、铁电薄膜的掺杂效应通过第一性原理计算,把BaTiO_3薄膜表面附近的BaO原子层中的Ba原子用La原子取代,研究了掺杂对铁电薄膜极化的影响。发现当自发极化指向薄膜内部时,在适当浓度的电子掺杂情况下,表面态将从金属态转变为绝缘态,并且从表面层到薄膜内部形成梯度能隙。极化向上情形下,La掺杂的体系表面总是表现为金属态。因此,在外电场作用下可以实现BaTiO_3薄膜表面的金属-绝缘相变。2、电子掺杂对BaTiO_3块材光学性质的影响对BaTiO_3块材进行均匀电子掺杂,随着电子掺杂浓度达到临界电子浓度0.11e/u.c时,BaTiO_3会发生四方相到立方相的结构相变,铁电性消失。并且由于导带底掺杂的电子跃迁到高能级,体系在低能区出现新的吸收峰,BaTiO_3原本带隙吸收边发生蓝移现象。此外,我们还在2*2*2的BaTiO_3超胞中掺入一个La原子(用La原子取代Ba原子,掺杂浓度为0.125e/u.c)。此掺杂浓度下,均匀电子掺杂体系表现为立方相,铁电性消失,而La原子掺杂体系中由于掺杂电子局域在La原子周围,不能完全屏蔽偶极子间的相互作用,体系中铁电性和金属性仍然可以共存。我们的理论研究有望为铁电材料对光电功能器件的应用和设计提供指导。
【学位单位】：苏州科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O484.4
【部分图文】：

1.1 电滞回线示意图。（摘自：钟维烈，《铁电体物理学》，1996料研究进展九世纪，人们针对电气石进行了各种各样的实验研究[2]。其研该类材料具有压电性，即十九世纪 80 年代，居里和皮．居里时，材料会呈现电极性[1]。，铁电材料的发展可概括为以下四个过程[3]。第一个过程，处，人们发现了罗息盐（NaKC4H4O6·4H2O）和磷酸二氢钾（具有铁电性；第二过程，处于 1940～1958 时间段内，随着对发展起来的铁电唯象理论，趋于完整；第三过程，处于 195矿结构的铁电体被发现，对铁电材料的微观研究逐步深入，相总结为软模理论；第四过程，大致 1980 年到现在，人们研究铁电体系，即铁电薄膜以及器件。从科学发展的方面来讲，有探索过程中起到积极的推动：德文希尔（Devonshire）热力[6][7]

苏州科技大学硕士论文 第一章 绪论线不够规整，在输出和输入的指令上容易发生误判；三是块状材料的疲劳特性差，即翻转次数太多后不能保持较好的铁电性。这些问题在铁电薄膜体系中都得到很好的改善，所以集成铁电薄膜器件有很好的发展前景。1.1.3 铁电薄膜铁电薄膜材料具有纳米级别的尺寸大小，在这样的尺寸下依然具有铁电性[17-19]。铁电薄膜不仅有铁电性，还拥有其它许多物理性质，比如用于传感器的压电性质、用于太阳能吸收的光学性质以及用于开关器件与信息存储的极化开关性质等。目前，铁电材料在太阳能吸收方面也得到迅速发展。对于铁电薄膜而言，它可以做成一个完整的应用器件，在较复杂的应用器件中也是能够作为必要配件使用[20]，如图 1.2 所示。

9图 2.1 自洽求解 Kohn-Sham 方程的流程示意图扰理论的 GW 计算的自洽 Kohn-Sham 方法本质上是一个基态理、结合能等)取得很大成功，但是当把 Kohn-S遇到了严重的困难。例如基于密度泛函理论计值小到 30%-50%[31-32]。此外，基于密度泛函到结果相符合。是因为密度泛函理论的自洽Kohn-Sham方法仅系统的激发态性质是。但是系统从基态到激发
【参考文献】

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1 肖定全;铁电薄膜研究中的几个重要问题[J];功能材料;2003年05期

本文编号：2882925