應(yīng)變下四方相BaTiO3缺陷和極化性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、鐵電材料因?yàn)槠渚哂需F電性、壓電性、熱電性以及非線性光學(xué)等性能,在微電子領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。作為一種重要的功能材料,鐵電材料引起了科研工作者廣泛的興趣,而自發(fā)極化作為重要的代表其鐵電性能的物理量,是研究的主要對象。同時(shí),由于鐵電材料中缺陷是普遍存在的,會(huì)對材料和器件的性能產(chǎn)生影響。此外在薄膜和器件的制備過程中由于晶格失配等原因不可避免會(huì)在材料中引入應(yīng)變,但是,對于極化、缺陷和應(yīng)變之間的相互影響的研究還比較缺乏。本論文在第一性原理基礎(chǔ)上,研究

2、了應(yīng)變對鈣鈦礦結(jié)構(gòu)BaTiO3缺陷以及極化的影響,并得到了以下結(jié)果:
　　首先計(jì)算了四方相結(jié)構(gòu)鈦酸鋇的晶格常數(shù)、體系極化等基本性質(zhì)。利用3×3×3的超胞作為計(jì)算模型,利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到的晶格常數(shù)進(jìn)行計(jì)算。通過固定a、b軸晶格常數(shù)弛豫c軸晶格常數(shù)的方法對體系施加應(yīng)變,并計(jì)算了應(yīng)變下體系的能量、體積以及c軸的應(yīng)變。在此基礎(chǔ)上,移除體系中的格點(diǎn)來引入缺陷,分別計(jì)算應(yīng)變下Ba、Ti和O中性空位的形成能。計(jì)算結(jié)果表明三種空位形成能受原子化學(xué)勢

3、影響較大,從氧化環(huán)境到還原環(huán)境的變化過程中氧空位逐漸變成主要缺陷,這與之前的研究結(jié)果一致。與此同時(shí),氧空位形成能隨壓應(yīng)變的增大而增大,隨拉應(yīng)變的減小而減小。因此在薄膜制備過程中可以通過選擇合適的基底,在鐵電材料中引入壓應(yīng)變的方式來抑制氧空位的形成。
　　其次,通過在壓應(yīng)變體系下移除對應(yīng)的Ba、O離子來模擬VBa-VO雙空位,計(jì)算得到了其形成能,其中1A、1B、2A和2B分別對應(yīng)第二近鄰VBa-VO雙空位的四種不同組合。從拉應(yīng)變到壓

4、應(yīng)變的變化范圍內(nèi),1B與1A形成能的變化趨勢基本相同,都是隨拉應(yīng)變的增大而減小,隨壓應(yīng)變的增大先增大后減小,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到-1％時(shí)形成能開始減小。對于2B與2A其形成能在由拉應(yīng)變到壓應(yīng)變的范圍內(nèi)逐漸增大,其變化幅值約為0.6eV。此外,1B與1A以及2B與2A相互間的形成能差值隨壓應(yīng)變的增大而增大,隨拉應(yīng)變的增大而減小,能量差值反映了體系結(jié)構(gòu)的不對稱性,壓應(yīng)變在增大其差值的同時(shí),增大了體系印記,但是其影響很小。
　　最后,計(jì)算了應(yīng)變下