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纳米铁电质料铁电性及其力电耦合特性的原子标准模仿研究

2018-02-12

钙钛矿型铁电质料, 如钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)等, 具有精采的铁电机能和电学性质, 如高介电常数、低热电损耗及大热电系数等[]。钙钛矿型铁电质料以其优良的电学性质被遍及应用于各类电子器件, 譬喻压电传感器、激振器、热电热成像装置和介电电容等[, , ]。连年来, 跟着纳米加工技能的不绝成长和电子元器件小型化水平的不绝提高, 纳米铁电质料在微电子及微机电系统中获得了更为遍及的应用, 譬喻铁电随机存储器、激振器、高密度小型化电容器、兵器部件中的焚烧装置等[, ]。今朝已制备的纳米铁电布局包罗超薄纳米薄膜、纳米线、纳米管、纳米点(nano-dot)和纳米岛(nano-island)等[, , , , , ]。与宏观块体质料对比, 纳米量级铁电质料的机能会有较大的差异, 譬喻介电常数较大, 存储密度成倍晋升等[, ], 改变主要是由纳米铁电质料中铁电性的变革所引起的。

铁电质料的铁电性是指质料具有自发极化的性质, 这种自发极化是短程分子间范德华力和长程库仑力之间配合浸染的功效, 个中库仑力有利于发生四方相, 从而加强铁电性; 短程分子间力则有利于立方相的发生, 从而减弱铁电性。图1为顺电态和铁电态时钙钛矿型铁电质料ABO3的晶体布局示意图, 个中矢量P代表铁电极化。顺电态时, 质料为中心对称的立方布局, 正负电荷中心重合, 无铁电极化; 铁电态时, 质料为非中心对称的四方相布局, 此时晶体内正负电荷中心的不重合会导致电偶极子的发生, 从而在宏观上表示为质料的铁电极化。铁电质料的铁电极化不依赖于外界电场而存在, 而且在外加电场的浸染下, 极化偏向会产生反转。

图1

Fig. 1

 

 
Crystal structures of perovskite oxides ABO3 in the (a) paraelectric phase and (b) ferroelectric phase

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纳米铁电材料铁电性及其力电耦合特性的原子尺度仿照研究

  图1 (a)顺电相和(b)铁电相时钙钛矿质料ABO3的晶体布局Fig. 1 Crystal structures of perovskite oxides ABO3 in the (a) paraelectric phase and (b) ferroelectric phase  

对付低维纳米布局, 由于缺乏周期性, 长程库仑力被截断。同时, 在纳米布局的外貌界线四周, 由于原子配位数的淘汰, 短程分子间浸染力也会产生较大的改变。因此, 纳米质料的铁电性与宏观块体质料对比会发生较大的改变, 继而影响到质料的电学性质。

另一方面, 由于铁电质料自发极化的巨细与晶体布局的差池称性密切相关, 而外界应力或应变会改变这一几许差池称性, 继而显著影响质料的铁电性[, ]。铁电质料的机器载荷与电学性质之间的耦合浸染被称之为“ 力电耦合特性” 。对付纳米铁电质料, 质料对外界情况尤其是外界载荷将更为敏感, 纵然很小的原子位移也会对纳米质料的铁电性造成很大的影响, 甚至会导致电子元器件的失效[, ]。因此, 为了有效地发挥纳米铁电质料的机能, 确保成果质料的靠得住性, 对纳米铁电质料力电耦合特性的研究也是今朝铁电研究者们存眷的热点问题。

今朝对纳米铁电质料的研究要领中, 数值模仿作为一种强有力的要领正在发挥着十分重要的浸染[, , ]。这是由于当质料的特征尺寸越来越小时, 由于试样制备、加载以及丈量等方面的坚苦, 纯真依赖尝试手段有时并不现实; 别的, 尝试也很难定量视察到铁电极化的巨细和偏向。因此, 为了定量研究纳米质料中的铁电极化, 并从原子和电子层面上表明铁电极化发生的机理, 开展数值模仿已经成为一种重要的研究途径。从连年来的研究趋势也可以看出, 运用计较质料学要领, 譬喻通过第一性道理计较、分子动力学模仿和相场模仿等要领来阐明纳米铁电质料的各类电学及力电耦合特性已得到很多重要希望。

第一性道理计较要领是研究铁电质料铁电性及多物理性的一种常用要领。它基于量子力学的道理和要领, 不依赖于任何履历或半履历参数, 只借助根基常量和某些公道的近似举办的计较。这种计较将固体当作是电子和原子核构成的多粒子系统, 求出系统的总能量, 按照总能量与电子布局和原子核构型的干系, 确定系统的状态。它以密度泛函理论[, ]为基本, 将电子和核的举动疏散(玻恩– 奥本海默近似), 把电子波函数转化成粒子数密度, 通过自洽迭代解出体系基态的粒子数密度(Kohn-Sham方程), 即可将多粒子体系问题简化为寻求等效单个粒子的薛定谔方程自洽解的问题。第一性道理计较的优势在于可以或许获得凝结态物质的很多基天性质和微观布局特征, 如系统能量及电子漫衍等具体信息, 因此, 可以从电子和原子的层面来表明铁电性发源的机理。缺点在于计较劲大, 计较时间长, 可以或许处理惩罚的原子数目较小, 难以计较较为巨大的体系。