近年來,因為鐵電材料在光電功能器件中的潛在應用,對鐵電材料光學性質(zhì)的研究很活躍。鐵電薄膜具有電場調(diào)控光伏特性、較高的光電轉(zhuǎn)換效率以及輸出較高的光生電壓等優(yōu)點。由于自由載流子可以屏蔽偶極子之間庫侖相互作用,鐵電性一直被認為不能與金屬性共存。但是最近,相關(guān)實驗證明鐵電性和金屬性可以共存。例如隨著鈦酸鋇材料電子摻雜濃度的提高,體系的電阻表現(xiàn)出金屬材料的導電行為,且鈦酸鋇塊材會發(fā)生四方相到立方相的結(jié)構(gòu)相變。因此,研究電子摻雜鐵電塊材和鐵電薄膜是非常有意義的,尤其是其中的金屬-絕緣相變、結(jié)構(gòu)相變以及光學性質(zhì)等具有非常豐富的物理圖像。本論文利用第一性原理計算方法,研究La摻雜BaTi O_3薄膜以及電子摻雜BaTiO_3塊材,詳細研究了摻雜對鐵電材料電子結(jié)構(gòu)以及光學性質(zhì)的影響。我們的研究內(nèi)容可以概括為以下兩個方面:1、鐵電薄膜的摻雜效應通過第一性原理計算,把BaTiO_3薄膜表面附近的BaO原子層中的Ba原子用La原子取代,研究了摻雜對鐵電薄膜極化的影響。發(fā)現(xiàn)當自發(fā)極化指向薄膜內(nèi)部時,在適當濃度的電子摻雜情況下,表面態(tài)將從金屬態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣態(tài),并且從表面層到薄膜內(nèi)部形成梯度能隙。極化向上情形下,La摻雜的體系表面總是表現(xiàn)為金屬態(tài)。因此,在外電場作用下可以實現(xiàn)BaTiO_3薄膜表面的金屬-絕緣相變。2、電子摻雜對BaTiO_3塊材光學性質(zhì)的影響對BaTiO_3塊材進行均勻電子摻雜,隨著電子摻雜濃度達到臨界電子濃度0.11e/u.c時,BaTiO_3會發(fā)生四方相到立方相的結(jié)構(gòu)相變,鐵電性消失。并且由于導帶底摻雜的電子躍遷到高能級,體系在低能區(qū)出現(xiàn)新的吸收峰,BaTiO_3原本帶隙吸收邊發(fā)生藍移現(xiàn)象。此外,我們還在2*2*2的BaTiO_3超胞中摻入一個La原子(用La原子取代Ba原子,摻雜濃度為0.125e/u.c)。此摻雜濃度下,均勻電子摻雜體系表現(xiàn)為立方相,鐵電性消失,而La原子摻雜體系中由于摻雜電子局域在La原子周圍,不能完全屏蔽偶極子間的相互作用,體系中鐵電性和金屬性仍然可以共存。我們的理論研究有望為鐵電材料對光電功能器件的應用和設計提供指導。
【學位單位】：蘇州科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O484.4
【部分圖文】：

1.1 電滯回線示意圖。（摘自：鐘維烈，《鐵電體物理學》，1996料研究進展九世紀，人們針對電氣石進行了各種各樣的實驗研究[2]。其研該類材料具有壓電性，即十九世紀 80 年代，居里和皮．居里時，材料會呈現(xiàn)電極性[1]。，鐵電材料的發(fā)展可概括為以下四個過程[3]。第一個過程，處，人們發(fā)現(xiàn)了羅息鹽（NaKC4H4O6·4H2O）和磷酸二氫鉀（具有鐵電性；第二過程，處于 1940～1958 時間段內(nèi)，隨著對發(fā)展起來的鐵電唯象理論，趨于完整；第三過程，處于 195礦結(jié)構(gòu)的鐵電體被發(fā)現(xiàn)，對鐵電材料的微觀研究逐步深入，相總結(jié)為軟模理論；第四過程，大致 1980 年到現(xiàn)在，人們研究鐵電體系，即鐵電薄膜以及器件。從科學發(fā)展的方面來講，有探索過程中起到積極的推動：德文希爾（Devonshire）熱力[6][7]

蘇州科技大學碩士論文 第一章 緒論線不夠規(guī)整，在輸出和輸入的指令上容易發(fā)生誤判；三是塊狀材料的疲勞特性差，即翻轉(zhuǎn)次數(shù)太多后不能保持較好的鐵電性。這些問題在鐵電薄膜體系中都得到很好的改善，所以集成鐵電薄膜器件有很好的發(fā)展前景。1.1.3 鐵電薄膜鐵電薄膜材料具有納米級別的尺寸大小，在這樣的尺寸下依然具有鐵電性[17-19]。鐵電薄膜不僅有鐵電性，還擁有其它許多物理性質(zhì)，比如用于傳感器的壓電性質(zhì)、用于太陽能吸收的光學性質(zhì)以及用于開關(guān)器件與信息存儲的極化開關(guān)性質(zhì)等。目前，鐵電材料在太陽能吸收方面也得到迅速發(fā)展。對于鐵電薄膜而言，它可以做成一個完整的應用器件，在較復雜的應用器件中也是能夠作為必要配件使用[20]，如圖 1.2 所示。

9圖 2.1 自洽求解 Kohn-Sham 方程的流程示意圖擾理論的 GW 計算的自洽 Kohn-Sham 方法本質(zhì)上是一個基態(tài)理、結(jié)合能等)取得很大成功，但是當把 Kohn-S遇到了嚴重的困難。例如基于密度泛函理論計值小到 30%-50%[31-32]。此外，基于密度泛函到結(jié)果相符合。是因為密度泛函理論的自洽Kohn-Sham方法僅系統(tǒng)的激發(fā)態(tài)性質(zhì)是。但是系統(tǒng)從基態(tài)到激發(fā)
【參考文獻】

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1 肖定全;鐵電薄膜研究中的幾個重要問題[J];功能材料;2003年05期

本文編號：2882925