本文關鍵詞：超晶格結構相變及壓電特性的第一性原理研究

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【摘要】：鐵電超晶格薄膜由于性能優(yōu)于單一鐵電材料而受到廣泛關注,在微電子器件及光伏薄膜電池中具有非常廣泛應用,已經(jīng)成為當前國際研究熱點問題�；瘜W成分、組分比例以及應變等因素對超晶格性能影響較大。研究鐵電超晶格的相變規(guī)律,以及在平衡狀態(tài)下超晶格的性能對實際應用具有重要意義。本文依據(jù)第一性原理,對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)三種1/1超晶格的相變機理進行探索,并考察超晶格在應變條件下Pb Ti O_3/Sn Ti O_3超晶格的極化和壓電行為等特性的變化趨勢。PbTi O_3/Sn Ti O_3(II-IV/II-IV)、Na TaO_3/KTaO_3(I-V/I-V)初始相為P4/mmm,而PbTi O_3/Sn Zr O_3(II-IV/II-IV)初始相為P4mm。通過密度泛函微擾理論計算布里淵區(qū)中心聲子的頻率來判斷結構的穩(wěn)定性。P4/mmm含有雙重簡并的虛頻聲子和在z方向上振動的較小的虛頻聲子,凍結雙重簡并的虛頻聲子得到Amm2相,凍結z方向上振動的虛頻聲子P4mm相。計算兩個相的的聲子譜,進一步凍結Amm2相中在z方向上振動的虛頻聲子和P4mm相中雙重簡并的虛頻聲子都能得到Cm相。通過凍結聲子法來研究相變,得到的新的相的對稱性越來越低,同時超晶格的體積逐漸增加而能量變低,所以得到新的相的穩(wěn)定性增加。在晶格不匹配應變由-1.5%增加到1.5%過程中,PbTiO_3/Sn Ti O_3超晶格基態(tài)相由Cm相轉變?yōu)锳mm2相。超晶格的能帶變窄,帶隙由1.17 e V增加到1.32 e V。波恩有效電荷降低,這表明在超晶格中存在電荷傳輸,超晶格中離子間相互作用減弱。自發(fā)極化和壓電系數(shù)在x、y方向上分量在應變由壓應變到拉應變過程中會出現(xiàn)下降,在z方向上分量會隨著Cm相轉化為Amm2相而消失。同時極化方向與z軸之間的夾角會隨著應變增加而增加,最終為90°。宏觀靜態(tài)介電張量隨著應變的增加下降,在x和y軸向最大值為6.629。
【關鍵詞】：第一性原理 相變 極化 壓電 帶隙
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM221
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-8
• 第1章 緒論8-17
• 1.1 課題的背景及意義8-9
• 1.2 鐵電超晶格材料的研究進展9-16
• 1.2.1 組分對超晶格性能的影響9-12
• 1.2.2 力場和電場對超晶格性能的影響12-13
• 1.2.3 應變對超晶格結構的影響13-16
• 1.3 本論文研究內(nèi)容16-17
• 第2章 第一性原理基本理論17-25
• 2.1 引言17-18
• 2.2 密度泛函理論18-21
• 2.2.1 Hobenberg-Kohn定理18-19
• 2.2.2 Kohn-Sham方程19-20
• 2.2.3 自洽過程20
• 2.2.4 交換關聯(lián)泛函20-21
• 2.3 贗勢方法21
• 2.4 BERRY-PHASE方法21-23
• 2.5 密度泛函微擾理論23
• 2.6 VASP軟件23-24
• 2.7 本章小結24-25
• 第3章 超晶格結構相變計算25-39
• 3.1 計算方法25
• 3.2 超晶格結構優(yōu)化25-26
• 3.3 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格計算26-30
• 3.4 Na TaO_3/KTaO_3超晶格計算30-34
• 3.5 Pb TiO_3/SnZr O_3超晶格計算34-37
• 3.6 本章小結37-39
• 第4章 PbTi O_3/Sn TiO_3超晶格性能計算39-60
• 4.1 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格能帶結構計算39-41
• 4.2 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格電子態(tài)密度計算41-47
• 4.2.1 P4/mmm相電子態(tài)密度41-43
• 4.2.2 Amm2相電子態(tài)密度43-46
• 4.2.3 Cm相電子態(tài)密度46-47
• 4.3 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格能帶帶隙計算47-48
• 4.4 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格波恩有效電荷計算48-51
• 4.5 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格極化特性計算51-54
• 4.5.1 極化強度計算方法51-52
• 4.5.2 Pb Ti O_3/SnTiO_3超晶格極化強度52-54
• 4.6 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格壓電響應系數(shù)計算54-56
• 4.7 Pb TiO_3/SnTiO_3超晶格介電張量的計算56-57
• 4.8 多層超晶格性能57-58
• 4.9 本章小結58-60
• 結論60-61
• 參考文獻61-66
• 致謝66

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本文編號：731196