超晶格结构相变及压电特性的第一性原理研究

发布时间：2017-08-24 12:08

  本文关键词：超晶格结构相变及压电特性的第一性原理研究

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【摘要】：铁电超晶格薄膜由于性能优于单一铁电材料而受到广泛关注,在微电子器件及光伏薄膜电池中具有非常广泛应用,已经成为当前国际研究热点问题。化学成分、组分比例以及应变等因素对超晶格性能影响较大。研究铁电超晶格的相变规律,以及在平衡状态下超晶格的性能对实际应用具有重要意义。本文依据第一性原理,对PbTi O_3/Sn Ti O_3(II-IV/II-IV)、Na TaO_3/KTa O_3(I-V/I-V)、Pb Ti O_3/Sn Zr O_3(II-IV/II-IV)三种1/1超晶格的相变机理进行探索,并考察超晶格在应变条件下Pb Ti O_3/Sn Ti O_3超晶格的极化和压电行为等特性的变化趋势。PbTi O_3/Sn Ti O_3(II-IV/II-IV)、Na TaO_3/KTaO_3(I-V/I-V)初始相为P4/mmm,而PbTi O_3/Sn Zr O_3(II-IV/II-IV)初始相为P4mm。通过密度泛函微扰理论计算布里渊区中心声子的频率来判断结构的稳定性。P4/mmm含有双重简并的虚频声子和在z方向上振动的较小的虚频声子,冻结双重简并的虚频声子得到Amm2相,冻结z方向上振动的虚频声子P4mm相。计算两个相的的声子谱,进一步冻结Amm2相中在z方向上振动的虚频声子和P4mm相中双重简并的虚频声子都能得到Cm相。通过冻结声子法来研究相变,得到的新的相的对称性越来越低,同时超晶格的体积逐渐增加而能量变低,所以得到新的相的稳定性增加。在晶格不匹配应变由-1.5%增加到1.5%过程中,PbTiO_3/Sn Ti O_3超晶格基态相由Cm相转变为Amm2相。超晶格的能带变窄,带隙由1.17 e V增加到1.32 e V。波恩有效电荷降低,这表明在超晶格中存在电荷传输,超晶格中离子间相互作用减弱。自发极化和压电系数在x、y方向上分量在应变由压应变到拉应变过程中会出现下降,在z方向上分量会随着Cm相转化为Amm2相而消失。同时极化方向与z轴之间的夹角会随着应变增加而增加,最终为90°。宏观静态介电张量随着应变的增加下降,在x和y轴向最大值为6.629。
【关键词】：第一性原理 相变 极化 压电 带隙
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM221
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 课题的背景及意义8-9
• 1.2 铁电超晶格材料的研究进展9-16
• 1.2.1 组分对超晶格性能的影响9-12
• 1.2.2 力场和电场对超晶格性能的影响12-13
• 1.2.3 应变对超晶格结构的影响13-16
• 1.3 本论文研究内容16-17
• 第2章 第一性原理基本理论17-25
• 2.1 引言17-18
• 2.2 密度泛函理论18-21
• 2.2.1 Hobenberg-Kohn定理18-19
• 2.2.2 Kohn-Sham方程19-20
• 2.2.3 自洽过程20
• 2.2.4 交换关联泛函20-21
• 2.3 赝势方法21
• 2.4 BERRY-PHASE方法21-23
• 2.5 密度泛函微扰理论23
• 2.6 VASP软件23-24
• 2.7 本章小结24-25
• 第3章 超晶格结构相变计算25-39
• 3.1 计算方法25
• 3.2 超晶格结构优化25-26
• 3.3 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格计算26-30
• 3.4 Na TaO_3/KTaO_3超晶格计算30-34
• 3.5 Pb TiO_3/SnZr O_3超晶格计算34-37
• 3.6 本章小结37-39
• 第4章 PbTi O_3/Sn TiO_3超晶格性能计算39-60
• 4.1 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格能带结构计算39-41
• 4.2 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格电子态密度计算41-47
• 4.2.1 P4/mmm相电子态密度41-43
• 4.2.2 Amm2相电子态密度43-46
• 4.2.3 Cm相电子态密度46-47
• 4.3 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格能带带隙计算47-48
• 4.4 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格波恩有效电荷计算48-51
• 4.5 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格极化特性计算51-54
• 4.5.1 极化强度计算方法51-52
• 4.5.2 Pb Ti O_3/SnTiO_3超晶格极化强度52-54
• 4.6 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格压电响应系数计算54-56
• 4.7 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格介电张量的计算56-57
• 4.8 多层超晶格性能57-58
• 4.9 本章小结58-60
• 结论60-61
• 参考文献61-66
• 致谢66

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本文编号：731196