鐵電體的第一性原理研究進展

1、Dielectric 鐵電體的第一性原理研究進展鐵電體的第一性原理研究進展目錄目錄contents0101鐵電體的發(fā)展鐵電體的發(fā)展0202第一性原理計算原理第一性原理計算原理0303研究現(xiàn)狀和研究熱點研究現(xiàn)狀和研究熱點鐵電體鐵電體的定義的定義 某些晶體在一定的溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，而且其自發(fā)極化方向可以因外電場方向的反向而反向，晶體的這種性質稱為鐵電性，具有鐵電性的晶體稱為鐵電體。鐵電體的重要特征之一是具有電滯回線，電滯回線的存在是判定晶體為鐵電體的重要根據(jù)。鐵電體的發(fā)展歷史鐵電體的發(fā)展歷史 鐵電材料是一類重要的功能材料，它具有介電性、壓電性、熱釋電性、鐵電性以及電光效應、聲光效應、光折變效

2、應和非線性光學效應等重要特性，可用于制作鐵電存儲器、熱釋電紅外探測器、空間光調制器、光波導、介質移相器、壓控濾波器等重要的新型元器件。這些元器件在航空航天、通信、家電、國防等領域具有廣泛的應用前，因此鐵電材料成了近年來高新技術研究的前沿和熱點之一。羅息鹽時期發(fā)現(xiàn)鐵電性 KDP 時期鐵電熱力學理論鈣鈦礦時期鐵電軟模理論 鐵電薄膜及器件時期小型化研究內(nèi)容研究內(nèi)容 1.第一性原理的第一性原理的計算計算： 關于鐵電性起因方面有許多問題尚未解決,如鈦酸鉛(PTO)和鈦酸鋇(BTO)有鐵電性,而類似結構的鈦酸鍶(STO)卻沒有鐵電性。隨著現(xiàn)代能帶結構的方法和高速計算機的發(fā)展,人們通過第一性原理對BTO、P

3、TO等鐵電體的計算得出了電子密度分布,軟模位移和自發(fā)極化等重要結果,對理解鐵電性的微觀機制有重要的參考價值。2.尺寸效應的尺寸效應的研究研究： 隨著鐵電薄膜和鐵電超微粉的發(fā)展,鐵電尺寸效應已經(jīng)顯現(xiàn)出來。近幾年來,人們從微觀理論、宏觀理論、實驗方面等方面做了深入研究。預言了自發(fā)極化、相變溫度和介電極化率等隨尺寸的變化規(guī)律,計算了典型鐵電體的鐵電臨界尺寸,并得到實驗的驗證。它不但對集成鐵電器件和精細復合材料的設計有指導作用,而且是鐵電理論在有限尺寸條件下的發(fā)展。近年新進展近年新進展 3.鐵電液晶、鐵電聚合物的基礎研究和應用鐵電液晶、鐵電聚合物的基礎研究和應用研究：研究： 鐵電液晶方面,Meyer在

4、1975年首次發(fā)現(xiàn)由手性分子組成的傾斜層狀C相液晶具有鐵電性。研究發(fā)現(xiàn)鐵電液晶在非線性光學和電光顯示方面很有價值,其二次諧波發(fā)生效率不低于常用的無機非線性光學晶體,而其電光顯示基于極化翻轉,響應速度比普通絲狀相液晶快幾個數(shù)量級。70年代末人們還發(fā)現(xiàn)了鐵電聚合物,如奇數(shù)尼龍。聚合物的組分繁多,結構多樣,鐵電聚合物的發(fā)現(xiàn)擴展了鐵電體學的研究領域。4.集成鐵電體的研究集成鐵電體的研究(鐵電薄膜與半導體集成鐵電薄膜與半導體集成)： 由于鐵電存儲器的諸多優(yōu)點,近幾年來人們對鐵電薄膜與半導體集成投入了大量的研究。鐵電薄膜的極化具備兩個不同的穩(wěn)定狀態(tài)(剩余極化強度士Pr),可分別作為信息存儲的“0和,l”代

5、碼。早在50年代人們就開始作了這方面的研究。當時存在的問題主要為:塊材要求電壓很高,不能滿足應用的要求;電滯回線的矩形度差,易發(fā)生讀寫錯誤;疲勞特性很差。80年代以來,由于鐵電薄膜制備技術的改進,新的鐵電材料及電極材料的出現(xiàn),鐵電存儲器又重新活躍起來。為什么選用第一性原理？為什么選用第一性原理？ 我們采用第一性原理的辦法研究鐵電材料的原因是：(1)它是一種不依賴參量化的理論計算；(2)可以處理勢能面問題；(3)可以清楚理解所觀測到的實驗行為的起源；(4)可被應用于多種材料；(5)可計算溫度、壓力等外界條件的效應。多原子體系的薛定諤方程4計算原理計算原理 由于固體物質中存在大量的原子核和電子，處

6、理如此多數(shù)量的量子多粒子系統(tǒng)，必須采用近似方法。通過玻恩奧本海默（ Born-Oppenheimer）絕熱近似，將原子核的運動與電子的運動分開，即考慮電子運動時原子核是處在它們的瞬時位置上，核的運動不影響電子的運動，當考慮核的運動時則不考慮電子在空間的具體分布。在Hohenberg-Kohn 定理的基礎上，將多電子問題轉化為單電子問題，建立起了對單電子問題嚴格的求解方法即：密度泛函理論。如果將固體考慮為具有平移周期性的理想晶體，上述單電子問題將是求解單電子在周期性勢場中的運動。計算軟件簡介計算軟件簡介 針對第一性原理計算編寫的程序包很多。在鐵電體及有關功能材料的研究中，常用的主要有以下幾種：1

7、針對FLAPAW方法編寫的各種計算程序中，由維也納工業(yè)大學量子理論計算研究小組開發(fā)的基于Linux操作系統(tǒng)的WIEN系列程序最為著名。此程序的主要優(yōu)點是： (1)它是基于Linux平臺的軟件，我們都知道Linux的高穩(wěn)定性是眾所周知的，在科研領域的許多軟件都是基于Unix或Linux平臺。(2)它采用圖形化友好界面，可以大大簡化操作者的工作量，并降低了難度。 (3)它是采用FORTRAN語言編寫的。2Gaussian98程序包。Gaussian98程序包中包含許多種計算方法，包括半經(jīng)驗及第一性原理計算方法等。它是一個功能全面的計算程序包。它的主要處理對象是有機大分子體系，計算時主要對單一大分子

8、體系的各種性質進行計算。能給出有機分子的振動模式及反應過程的信息。它的缺點是對含有重金屬原子體系的計算幾乎無法進行。3Materials Studio軟件。Materials Studio是美國Accerlrys公司專門為材料科學領域研究者開發(fā)的可運行在PC機上的模擬軟件。它采用多種算法，無論結構優(yōu)化、性質預測和X射線衍射分析，以及復雜的動力學模擬和量子力學計算都可以通過一些簡單易學的操作得到切實可靠的數(shù)據(jù)。其中的Castep模塊，廣泛應用予陶瓷、半導體、金屬等多種材料，它可以研究：晶體的材料性質(半導體、陶瓷、金屬、分子篩)、表面和表面重構的性質、表面化學、電子結構(能帶及態(tài)密度)、晶體的光

9、學性質、點缺陷性質(如空位、間隙或取代摻雜)、擴展缺陷(晶粒間界、位錯)、體系的三維電荷密度及波函數(shù)性質。它是本研究組最新引進的材料模擬軟件，主要將開展有關固溶體等復雜體系鐵電體的第一性原理研究。計算軟件簡介計算軟件簡介 VASP程序包的全稱為巧Vienna ab initio imulation package,基于密度泛函理論框架,使用贗勢和平面波基組進行從頭量子力學分子動力學計算。它采用平面波基矢并在局域密度近似或廣義梯度近似下通過自洽迭代方式來求解Kohn一Sham方程。在交換關聯(lián)函數(shù)方面,VASP除了局域密度近似外也提供了廣義梯度近似的PW91交換關聯(lián)函數(shù)和PBE交換關聯(lián)函數(shù)。離子實

10、和電子的相互作用超軟贗勢(USPP)或投影綴加波(PAW)方法描述。值得一提的是它對元素周期表中絕大部分元素提供了完整并經(jīng)過優(yōu)化的贗勢。 總之，VASP是一個成熟、穩(wěn)定和高效的第一性原理計算軟件包。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 Cohen首次采用第一性原理計算BaTIO3和PbTIO3的電子密度,表明Ti的3d電子和O的2P電子波函數(shù)有顯著的交疊,而且鐵電情況下的交疊比順電情況更強,進而得出結論:對于ABO3結構的鈣欽礦型鐵電體,B離子的d電子與氧離子的2p電子之間存在比較強的軌道雜化,這種軌道雜化抑制了短程排斥力從而使鐵電性得以穩(wěn)定。王曉媛等利用基于密度泛函理論的第一性原理的方法研究了超薄鈦

11、酸鉛(PbTiO3)納米管的鐵電性及力電耦合特性。研究發(fā)現(xiàn)對于鈦酸鉛鐵電納米管結構, 即使在其特征尺寸小于鐵電薄膜的鐵電臨界尺寸時, 依然存在自發(fā)極化。鈦酸鉛鐵電納米管結構不存在鐵電臨界尺寸。劉峰等鉍層狀共生結構鐵電體 Bi7Ti4NbO21 具有天然的超晶格結構。采用基于密度泛函(DFT)的第一性原理計算對 Bi7Ti4NbO21及其相關化合物進行了研究。計算得到 Bi7Ti4NbO21的生成焓為-56.21 eV, 帶隙為 0.796 eV, 而對于組成單元 Bi3TiNbO9 和 Bi4Ti3O12, 生成焓分別為-30.72 和-43.32 eV, 帶隙分別為 2.535 和 2.436 eV。分析表明,