本文關鍵詞： 鈮酸鉀鈉 鈦酸鋇 碳化硼 硅化硼 壓電性　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：壓電材料是一種重要的功能材料,可以實現(xiàn)機械能和電能之間的相互轉換,在工業(yè)和國防領域具有廣泛的應用。宏觀尺度的塊體壓電材料可應用于水聲換能器、醫(yī)用B超探頭、超聲馬達、石油測井探測器、無損檢測以及加速傳感器等方面;微觀尺度上,微納機電系統(tǒng)在生物醫(yī)學、國防等領域具有重要的潛在應用價值。目前,進一步開發(fā)新的塊體壓電材料體系,以及發(fā)展新型的納米壓電材料為納米器件提供相應的動力供給是壓電材料領域研究的兩個重點方向。在塊體壓電材料方面,長期以來,以鋯鈦酸鉛(PZT)為代表的鉛基材料由于具有優(yōu)異的壓電、機電、介電性能而備受關注�；谠擃悏弘姴牧现苽涞膫鞲衅鳌Q能器等器件已經(jīng)實現(xiàn)工程應用。然而由于鉛具有毒性,在整個鉛基壓電材料的制備、使用和廢棄處理過程中都會對人體、環(huán)境造成危害。鑒于鉛基壓電材料的危害性,開發(fā)新型的無鉛壓電材料是一項緊迫而重要的任務。近年來發(fā)展的新型鈮酸鉀鈉基和鈦酸鋇基塊體壓電材料被認為是非常有前景的無鉛壓電材料體系。在微觀尺度方面,傳統(tǒng)塊體壓電材料在納米尺度上壓電性能急劇下降,甚至消失,使其不能應用于微納機電系統(tǒng)。為了給微納器件提供相應的動力供給,近年來人們開始探索新型低維壓電材料�；谝陨犀F(xiàn)狀,本文開展了鈮酸鉀鈉基、鈦酸鋇基塊體材料和碳化硼、硅化硼二維材料壓電特性的理論研究。這一研究可以為其實際應用提供必要的理論依據(jù)。本論文首先研究了K_(1-x)Na_xNbO_3多晶型相界附近的壓電性能。采用第一性原理方法計算了該體系的系統(tǒng)能量、結構參數(shù)、電子結構、彈性模量、彈性柔順系數(shù)和壓電常數(shù)。理論研究發(fā)現(xiàn)K_(1-x)Na_xNbO_3的多晶型相界出現(xiàn)在x=0.521處,與實驗結果吻合較好,兩相共存是其具有高壓電性的關鍵因素�？疾炝藟弘姵�(shù)d_(33)對晶體學取向的依賴性,表明正交K_(1-x)Na_xNbO_3(x=0.500)的d_(33)最大值接近[001]方向。通過比較不同組分從[011]到[001]方向極化旋轉的能壘,發(fā)現(xiàn)在多晶型相界處K_(1-x)Na_xNbO_3的極化旋轉變的更容易。研究了BaTi_(1-x)Zr_xO_3的多晶型相界和壓電性。運用第一性原理方法計算了BaTi_(1-x)Zr_xO_3的總能、結構參數(shù)、壓電常數(shù)、介電常數(shù)、彈性性質和波恩有效電荷。結果顯示,BaTi_(1-x)Zr_xO_3的多晶型相界出現(xiàn)在x=0.077-0.088區(qū)域,與實驗結果一致�？偰苡嬎惚砻髟诙嗑拖嘟缣�,兩相共存是其具有高壓電性的關鍵因素。在多晶型相界,四方和正交BaTi_(1-x)Zr_xO_3(x=0.080)的壓電常數(shù)d_(33)具有極大值,進一步支持了實驗對多晶型相界的判斷。彈性性質和波恩有效電荷的分析表明,在多晶型相界處,降低的力學穩(wěn)定性和Ti-O共價鍵的增強對于提高壓電性起到了重要作用。運用第一性原理方法預測了一個蜂窩狀二維BC結構,研究了其成鍵、光學、力學和壓電性質。結果發(fā)現(xiàn)在(001)平面上B和C原子具有sp2雜化成鍵,[001]方向C原子具有pz-pz(σ)成鍵。晶格動力學計算顯示該結構是熱力學穩(wěn)定的,相對于其它構型具有更低的形成能。采用GW近似計算了二維BC的光學性質,表明其具有一個2.40 e V的間接帶隙和1.35 e V的激子束縛能,一個明顯的Frenkel激子峰位于光學譜2.98 e V處。因此,該材料在發(fā)光領域具有潛在的應用價值。分析了二維BC壓電性與結構之間的關系,發(fā)現(xiàn)其壓電性來源于自身特有的蜂窩狀結構,壓電系數(shù)極大值呈120°夾角。計算的二維BC的壓電應力系數(shù)e22為-2.38×10~(-10) C/m,因此其在納米機電系統(tǒng)中具有潛在的應用前景。運用第一性原理方法和進化算法預測了兩個二維蜂窩狀BSi結構,研究了它們的結構、成鍵、光學和壓電等性質。結果發(fā)現(xiàn)[001]方向B原子間弱的共價鍵在P1和C2型BSi結構穩(wěn)定性方面扮演著重要角色。聲子譜的計算發(fā)現(xiàn)P1和C2型BSi是熱力學穩(wěn)定的。能帶和態(tài)密度顯示P1型BSi是一個半金屬,C2型BSi是一個具有1.07 e V帶隙的半導體。探討了C2型BSi結構與壓電性的關系,發(fā)現(xiàn)類似于二維BC,C2型BSi的壓電性也來源于其特有的蜂窩狀結構,壓電系數(shù)e22為1.65×10~(-10) C/m。然而二維BC和C2型BSi的結構和成鍵明顯不同,這導致它們在壓電各向異性方面存在較大差異。因此,在制作納米壓電器件時要充分考慮它們之間的這種差別。以上結果可以為設計和研制新型無鉛壓電材料提供一定的理論參考。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O469;TB34

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本文編號：1546448