运用第一性原理研究PMnN-PZT铁电材料微观机理
发布时间：2021-04-03 18:22
锆钛酸铅（Pb（ZrxTi1-x）03,PZT）铁电材料因其具有较高的居里温度、良好的铁电、介电和压电特性,广泛应用于铁电存储器、介质滤波器和压电传感器等可调谐微波器件中,是一种重要的功能材料。随着微纳米技术和可调谐微波器件技术的发展,性能单一的二元系PZT铁电材料已不能满足日益快速发展的需求。对PZT基铁电材料进行混合或掺杂改性,以期获得高居里温度、高机械品质因数和高机电耦合系数等性能优异的多元系PZT基铁电材料,尤其是掺杂改性的微观机理成为铁电材料领域的研究热点。本文采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法,对PZT（50/50）铁电材料掺杂不同比例的铌锰酸铅（Pb（Mn1/3,Nb2/3）O3,PMnN）调制作用进行了理论仿真研究。利用超晶胞法建立了不同掺杂比例的三元系xPMnN-（1-x）PZT（50/50）（x=0%,4%,6%,8%,10%,15%,20%,30%）理论模型,并计算了xPMnN-（1-x）PZT（50/50）几何构型、电子结构、介电性质、光学性质和压电常数等。分析总结了PMnN添加对PZT的掺杂改性规律及微观机制,得到的结论可归纳为以下几点:（1）通过对本...
【文章来源】： 邓艳艳 西安科技大学
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型钙钛矿晶胞结构示意图
将 Pb(Mn1/3,Nb2/3)O3外来组元引入 PZT(50/50)体系时，PMnN 和 PZT(50/50)均为典型的钙钛矿结构，满足形成固溶体的重要条件，且 Mn2+离子半径为 66pm、Nb5+离子半径为64pm、Zr4+离子半径为72pm、Ti4+离子半径为60.5pm，各离子间的半径差小于15%，容许间隙因子为 0.89，满足形成钙钛矿结构固溶体的必要条件。由此说明Pb(Mn1/3,Nb2/3)O3掺杂进 PZT(50/50)体系体系中能够形成互溶的钙钛矿结构固溶体，使得本文研究 PMnN 对 PZT(50/50)体系掺杂改性微观机制具有实际意义。本课题组在前期工作中已制备出了高质量的三元系 PMnN-PZT(50/50)铁电材料，本次选题内容主要采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法在广义梯度近似下，分别对具有高铁电性和高压电性的三元系 PMnN-PZT(50/50)铁电材料进行建模仿真和相关性质的理论模拟计算，并将模拟仿真计算结果与已有实验数据结果对比验证，以期获得 PMnN 对 PZT(50/50)铁电材料掺杂改性的微观机理，其整体思路和大致步骤如图 1.4所示。建立的可视化理论模型，将使多元系 PZT 基铁电材料微观机制形象化，解决了实验上难以从电子层面分析掺杂改性微观机制的难题，为多元系 PZT 基铁电材料的制备与研究提供可靠的理论指导，大大缩短了探索高性能多元系 PZT 基铁电材料的实验周期，使其有望广泛应用于可调谐微器件中。
图 3.1 PZT(50/50)晶体理论模型Fig. 3.1 Theoretical model of PZT(50/50) crysta泛函理论(Density Functional Theory, DFT行研究。电子与电子之间的交换关联势采dew-Burke-Ernzerhof(PBE)杂化泛函进行校述电子与离子实之间的相互作用势。Ti(3d24s2)和 O(2s22p4)分别作为各个原子，选取 400eV 作为计算过程中的平面波截计算精度设定为 Accurate。采用共轭梯度互作用力和最大位移的分别为 0.03eV/ Gamma 为中心 Monkhorst-Pack 形式高对 k 点对应抽样简约布里渊区。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超高居里温度钙钛矿层状结构压电陶瓷研究进展[J]. 周志勇,陈涛,董显林. 无机材料学报. 2018(03)
[2]铁电材料的研究进展[J]. 殷江,袁国亮,刘治国. 中国材料进展. 2012(03)
[3]贵金属（Cu、Ag、Au）掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究[J]. 段壮芬,王新强,何阿玲,程志梅. 原子与分子物理学报. 2011(02)
[4]铁电材料的发展历史和现状[J]. 符春林,潘复生,蔡苇,邓小玲. 重庆科技学院学报(自然科学版). 2008(06)
[5]PZT基反铁电材料研究进展[J]. 夏志国,李强. 人工晶体学报. 2006(04)
[6]四方铁电体PbFe0.5Nb0.5O3精细结构的第一性原理研究[J]. 王渊旭,钟维烈,王春雷,张沛霖. 物理学报. 2002(01)
博士论文
[1]钛酸钡基陶瓷的制备、微结构及介电性能研究[D]. 蔡苇.重庆大学 2011
[2]PZT第一性原理计算及其铁电性能研究[D]. 彭刚.华中科技大学 2006
[3]大功率基PMSZT压电陶瓷的机电性能及稳定性研究[D]. 陆翠敏.天津大学 2006
硕士论文
[1]三元系PZT基铁电薄膜微观机理研究[D]. 陈丹.西安科技大学 2015
[2]氧化锌的掺杂效应以及石墨烯结构缺陷的第一性原理研究[D]. 吴亮.苏州大学 2013
[3]半导体硅与砷化镓光学性质温度依赖性的第一性原理研究[D]. 刘剑.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3116844
【文章来源】： 邓艳艳 西安科技大学
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型钙钛矿晶胞结构示意图
将 Pb(Mn1/3,Nb2/3)O3外来组元引入 PZT(50/50)体系时，PMnN 和 PZT(50/50)均为典型的钙钛矿结构，满足形成固溶体的重要条件，且 Mn2+离子半径为 66pm、Nb5+离子半径为64pm、Zr4+离子半径为72pm、Ti4+离子半径为60.5pm，各离子间的半径差小于15%，容许间隙因子为 0.89，满足形成钙钛矿结构固溶体的必要条件。由此说明Pb(Mn1/3,Nb2/3)O3掺杂进 PZT(50/50)体系体系中能够形成互溶的钙钛矿结构固溶体，使得本文研究 PMnN 对 PZT(50/50)体系掺杂改性微观机制具有实际意义。本课题组在前期工作中已制备出了高质量的三元系 PMnN-PZT(50/50)铁电材料，本次选题内容主要采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法在广义梯度近似下，分别对具有高铁电性和高压电性的三元系 PMnN-PZT(50/50)铁电材料进行建模仿真和相关性质的理论模拟计算，并将模拟仿真计算结果与已有实验数据结果对比验证，以期获得 PMnN 对 PZT(50/50)铁电材料掺杂改性的微观机理，其整体思路和大致步骤如图 1.4所示。建立的可视化理论模型，将使多元系 PZT 基铁电材料微观机制形象化，解决了实验上难以从电子层面分析掺杂改性微观机制的难题，为多元系 PZT 基铁电材料的制备与研究提供可靠的理论指导，大大缩短了探索高性能多元系 PZT 基铁电材料的实验周期，使其有望广泛应用于可调谐微器件中。
图 3.1 PZT(50/50)晶体理论模型Fig. 3.1 Theoretical model of PZT(50/50) crysta泛函理论(Density Functional Theory, DFT行研究。电子与电子之间的交换关联势采dew-Burke-Ernzerhof(PBE)杂化泛函进行校述电子与离子实之间的相互作用势。Ti(3d24s2)和 O(2s22p4)分别作为各个原子，选取 400eV 作为计算过程中的平面波截计算精度设定为 Accurate。采用共轭梯度互作用力和最大位移的分别为 0.03eV/ Gamma 为中心 Monkhorst-Pack 形式高对 k 点对应抽样简约布里渊区。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超高居里温度钙钛矿层状结构压电陶瓷研究进展[J]. 周志勇,陈涛,董显林. 无机材料学报. 2018(03)
[2]铁电材料的研究进展[J]. 殷江,袁国亮,刘治国. 中国材料进展. 2012(03)
[3]贵金属（Cu、Ag、Au）掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究[J]. 段壮芬,王新强,何阿玲,程志梅. 原子与分子物理学报. 2011(02)
[4]铁电材料的发展历史和现状[J]. 符春林,潘复生,蔡苇,邓小玲. 重庆科技学院学报(自然科学版). 2008(06)
[5]PZT基反铁电材料研究进展[J]. 夏志国,李强. 人工晶体学报. 2006(04)
[6]四方铁电体PbFe0.5Nb0.5O3精细结构的第一性原理研究[J]. 王渊旭,钟维烈,王春雷,张沛霖. 物理学报. 2002(01)
博士论文
[1]钛酸钡基陶瓷的制备、微结构及介电性能研究[D]. 蔡苇.重庆大学 2011
[2]PZT第一性原理计算及其铁电性能研究[D]. 彭刚.华中科技大学 2006
[3]大功率基PMSZT压电陶瓷的机电性能及稳定性研究[D]. 陆翠敏.天津大学 2006
硕士论文
[1]三元系PZT基铁电薄膜微观机理研究[D]. 陈丹.西安科技大学 2015
[2]氧化锌的掺杂效应以及石墨烯结构缺陷的第一性原理研究[D]. 吴亮.苏州大学 2013
[3]半导体硅与砷化镓光学性质温度依赖性的第一性原理研究[D]. 刘剑.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3116844
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