漂移扩散模型应用及极化金属第一性原理研究

发布时间：2020-03-21 01:16

【摘要】：本文首先综述了钙钛矿材料自身和界面上比较前沿的研究进展,表明钙钛矿材料有广阔的研究空间。然后引入漂移扩散模型在铁电材料表面电势的模拟,以及电致电阻效应的解释方面的工作,表明漂移扩散模型普遍适用于电荷动力学过程的模拟。通过密度泛函理论计算,对于基于铁电材料的极化金属开展了细致的研究,得出了几个有重要实际意义的结果。本论文的主要内容如下:1.对铁电材料表面电势的研究,是最近发展的一种非接触式的研究方法,对于铁电状态的非接触、非破坏性读取,在存储领域有着巨大的前景。通过引入合适的假设,我们发展了铁电材料表面电荷动力学理论,解释了铁电材料表面电势的衰减,以及光照(光子能量超过材料带隙)之后表面电势的恢复行为;也模拟了不同畴尺寸和不同畴间距对表面电势的演化的影响。模拟结果与实验结果有很好的符合,印证了表面电势的电荷动力学理论。2.对于在光场下、温度相关、有氧缺陷的SrTiO_3基片中发现的电致电阻特性,我们建立了氧空位作为带电离子参与导电过程的模型,用漂移扩散模型模拟了不同条件下的电致电阻行为。研究表明,氧空位作为慢速离子参与导电过程,其作用是在外电场下的重新分布会引起显著的场效应,使得外场的效果降低或增强,从而表现出电致电阻现象。3.我们应用密度泛函理论计算了基于孤对电子铁电材料的PbTi_(0.875)Nb_(0.125)O_3的极化金属性质,与实验结果相符。又研究了可能的孤对电子铁电材料SnTiO_3中自由载流子和极化结构共存的机理,以及不同形式的相互作用在铁电相变中的贡献,并且发现了掺杂载流子的各向异性屏蔽作用。4.我们采用密度泛函理论计算研究了非孤对电子铁电材料BaTiO_3中压应力对极化金属相的影响,发现压应力有助于提高临界掺杂浓度,以及极化结构存在的临界温度,对其机理的研究,对于获得实验上易得的极化金属材料有重要指导意义。5.我们采用密度泛函理论计算,提出了一种通过多层结构设计有效获得极化金属的途径,并通过对块材输运的计算,指出在极化金属中存在强各向异性的电导和电子热导,这说明极化金属在电子开关等方面的应用很有潜力。
【图文】：

电荷有序,铁电性

Figure 1.20 Multiferroicity driven by charge ordering. [69]图 1.20 电荷有序驱动的多铁性。[69]特殊的多铁材料，其多铁性来自于电荷有序，这类材料多有一小部分属于 type-II 类多铁。电荷有序导致的铁电性， 1.20 很容易的解释。[69] 一个均匀的一维原子链，如果荷转移（如不同种类的原子之间形成的化学键），而不存空间上看该电荷有序态仍然是均匀分布的，称为“sitece果相邻原子之间只存在相对位移而不存在电荷转移，尽管化效应，但是也不会出现电极化，这称为“bondcenteredchered charge order 和 bond centered charge order 结合在一起子都会有一个净电偶极矩，而且总体上看系统已经打破了导致铁电性的出现。

电荷分布,蒙特卡洛模拟

Figure 2.3 The Monte Carlo simulation results.图 2.3 蒙特卡洛模拟结果。3 中，上图表示表面电势的变化趋势，下图表示电荷分布的示初始状态，蓝线表示衰减一段时间后的状态，红线表示出，，模拟的表面电势在变化趋势上与我们对实验结果的分析洛模拟在这里有两个缺点：一方面不能模拟载流子的复合较少，不能找到其变化规律。克服上面提到的两个缺点，我们建立了更完善的表面电荷时漂移扩散模型 [92, 93] 去模拟表面电势随着时间的演化之后，甚至能求得表面电势差的解析解。我们改进了文，如图 2.4 所示，假设等宽的铁电畴区沿 y 轴方向无限延 x 方向，z 轴垂直于薄膜表面，极化方向沿着 z 轴，且相
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

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