铁电体的第一性原理研究进展

1、Dielectric 铁电体的第一性原理研究进展铁电体的第一性原理研究进展目录目录contents0101铁电体的发展铁电体的发展0202第一性原理计算原理第一性原理计算原理0303研究现状和研究热点研究现状和研究热点铁电体铁电体的定义的定义 某些晶体在一定的温度范围内具有自发极化，而且其自发极化方向可以因外电场方向的反向而反向，晶体的这种性质称为铁电性，具有铁电性的晶体称为铁电体。铁电体的重要特征之一是具有电滞回线，电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。铁电体的发展历史铁电体的发展历史 铁电材料是一类重要的功能材料，它具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效

2、应和非线性光学效应等重要特性，可用于制作铁电存储器、热释电红外探测器、空间光调制器、光波导、介质移相器、压控滤波器等重要的新型元器件。这些元器件在航空航天、通信、家电、国防等领域具有广泛的应用前，因此铁电材料成了近年来高新技术研究的前沿和热点之一。罗息盐时期发现铁电性 KDP 时期铁电热力学理论钙钛矿时期铁电软模理论 铁电薄膜及器件时期小型化研究内容研究内容 1.第一性原理的第一性原理的计算计算： 关于铁电性起因方面有许多问题尚未解决,如钛酸铅(PTO)和钛酸钡(BTO)有铁电性,而类似结构的钛酸锶(STO)却没有铁电性。随着现代能带结构的方法和高速计算机的发展,人们通过第一性原理对BTO、P

3、TO等铁电体的计算得出了电子密度分布,软模位移和自发极化等重要结果,对理解铁电性的微观机制有重要的参考价值。2.尺寸效应的尺寸效应的研究研究： 随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展,铁电尺寸效应已经显现出来。近几年来,人们从微观理论、宏观理论、实验方面等方面做了深入研究。预言了自发极化、相变温度和介电极化率等随尺寸的变化规律,计算了典型铁电体的铁电临界尺寸,并得到实验的验证。它不但对集成铁电器件和精细复合材料的设计有指导作用,而且是铁电理论在有限尺寸条件下的发展。近年新进展近年新进展 3.铁电液晶、铁电聚合物的基础研究和应用铁电液晶、铁电聚合物的基础研究和应用研究：研究： 铁电液晶方面,Meyer在

4、1975年首次发现由手性分子组成的倾斜层状C相液晶具有铁电性。研究发现铁电液晶在非线性光学和电光显示方面很有价值,其二次谐波发生效率不低于常用的无机非线性光学晶体,而其电光显示基于极化翻转,响应速度比普通丝状相液晶快几个数量级。70年代末人们还发现了铁电聚合物,如奇数尼龙。聚合物的组分繁多,结构多样,铁电聚合物的发现扩展了铁电体学的研究领域。4.集成铁电体的研究集成铁电体的研究(铁电薄膜与半导体集成铁电薄膜与半导体集成)： 由于铁电存储器的诸多优点,近几年来人们对铁电薄膜与半导体集成投入了大量的研究。铁电薄膜的极化具备两个不同的稳定状态(剩余极化强度士Pr),可分别作为信息存储的“0和,l”代

5、码。早在50年代人们就开始作了这方面的研究。当时存在的问题主要为:块材要求电压很高,不能满足应用的要求;电滞回线的矩形度差,易发生读写错误;疲劳特性很差。80年代以来,由于铁电薄膜制备技术的改进,新的铁电材料及电极材料的出现,铁电存储器又重新活跃起来。为什么选用第一性原理？为什么选用第一性原理？ 我们采用第一性原理的办法研究铁电材料的原因是：(1)它是一种不依赖参量化的理论计算；(2)可以处理势能面问题；(3)可以清楚理解所观测到的实验行为的起源；(4)可被应用于多种材料；(5)可计算温度、压力等外界条件的效应。多原子体系的薛定谔方程4计算原理计算原理 由于固体物质中存在大量的原子核和电子，处

6、理如此多数量的量子多粒子系统，必须采用近似方法。通过玻恩奥本海默（ Born-Oppenheimer）绝热近似，将原子核的运动与电子的运动分开，即考虑电子运动时原子核是处在它们的瞬时位置上，核的运动不影响电子的运动，当考虑核的运动时则不考虑电子在空间的具体分布。在Hohenberg-Kohn 定理的基础上，将多电子问题转化为单电子问题，建立起了对单电子问题严格的求解方法即：密度泛函理论。如果将固体考虑为具有平移周期性的理想晶体，上述单电子问题将是求解单电子在周期性势场中的运动。计算软件简介计算软件简介 针对第一性原理计算编写的程序包很多。在铁电体及有关功能材料的研究中，常用的主要有以下几种：1

7、针对FLAPAW方法编写的各种计算程序中，由维也纳工业大学量子理论计算研究小组开发的基于Linux操作系统的WIEN系列程序最为著名。此程序的主要优点是： (1)它是基于Linux平台的软件，我们都知道Linux的高稳定性是众所周知的，在科研领域的许多软件都是基于Unix或Linux平台。(2)它采用图形化友好界面，可以大大简化操作者的工作量，并降低了难度。 (3)它是采用FORTRAN语言编写的。2Gaussian98程序包。Gaussian98程序包中包含许多种计算方法，包括半经验及第一性原理计算方法等。它是一个功能全面的计算程序包。它的主要处理对象是有机大分子体系，计算时主要对单一大分子

8、体系的各种性质进行计算。能给出有机分子的振动模式及反应过程的信息。它的缺点是对含有重金属原子体系的计算几乎无法进行。3Materials Studio软件。Materials Studio是美国Accerlrys公司专门为材料科学领域研究者开发的可运行在PC机上的模拟软件。它采用多种算法，无论结构优化、性质预测和X射线衍射分析，以及复杂的动力学模拟和量子力学计算都可以通过一些简单易学的操作得到切实可靠的数据。其中的Castep模块，广泛应用予陶瓷、半导体、金属等多种材料，它可以研究：晶体的材料性质(半导体、陶瓷、金属、分子筛)、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构(能带及态密度)、晶体的光

9、学性质、点缺陷性质(如空位、间隙或取代掺杂)、扩展缺陷(晶粒间界、位错)、体系的三维电荷密度及波函数性质。它是本研究组最新引进的材料模拟软件，主要将开展有关固溶体等复杂体系铁电体的第一性原理研究。计算软件简介计算软件简介 VASP程序包的全称为巧Vienna ab initio imulation package,基于密度泛函理论框架,使用赝势和平面波基组进行从头量子力学分子动力学计算。它采用平面波基矢并在局域密度近似或广义梯度近似下通过自洽迭代方式来求解Kohn一Sham方程。在交换关联函数方面,VASP除了局域密度近似外也提供了广义梯度近似的PW91交换关联函数和PBE交换关联函数。离子实

10、和电子的相互作用超软赝势(USPP)或投影缀加波(PAW)方法描述。值得一提的是它对元素周期表中绝大部分元素提供了完整并经过优化的赝势。 总之，VASP是一个成熟、稳定和高效的第一性原理计算软件包。国内外研究现状国内外研究现状 Cohen首次采用第一性原理计算BaTIO3和PbTIO3的电子密度,表明Ti的3d电子和O的2P电子波函数有显著的交叠,而且铁电情况下的交叠比顺电情况更强,进而得出结论:对于ABO3结构的钙钦矿型铁电体,B离子的d电子与氧离子的2p电子之间存在比较强的轨道杂化,这种轨道杂化抑制了短程排斥力从而使铁电性得以稳定。王晓媛等利用基于密度泛函理论的第一性原理的方法研究了超薄钛

11、酸铅(PbTiO3)纳米管的铁电性及力电耦合特性。研究发现对于钛酸铅铁电纳米管结构, 即使在其特征尺寸小于铁电薄膜的铁电临界尺寸时, 依然存在自发极化。钛酸铅铁电纳米管结构不存在铁电临界尺寸。刘峰等铋层状共生结构铁电体 Bi7Ti4NbO21 具有天然的超晶格结构。采用基于密度泛函(DFT)的第一性原理计算对 Bi7Ti4NbO21及其相关化合物进行了研究。计算得到 Bi7Ti4NbO21的生成焓为-56.21 eV, 带隙为 0.796 eV, 而对于组成单元 Bi3TiNbO9 和 Bi4Ti3O12, 生成焓分别为-30.72 和-43.32 eV, 带隙分别为 2.535 和 2.436 eV。分析表明,