铁电体的第一性原理研究进展

Dielectric

铁电体的第一性原理研究进展目录contents01铁电体的发展02第一性原理计算原理03研究现状和研究热点铁电体的定义

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。研究内容

1.第一性原理的计算：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、PTO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

3.铁电液晶、铁电聚合物的基础研究和应用研究：铁电液晶方面,Meyer在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(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？

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

由于固体物质中存在大量的原子核和电子，处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，