應變條件下鐵電超晶格結構壓電特性的第一性原理研究.pdf

1、鐵電超晶格薄膜結構材料因其具有比單體材料更多的優(yōu)越性能而受到越來越多的關注，其壓電、光學以及介電特性都有優(yōu)越的表現。通過改變超晶格的化學組分、成分比例、應變大小、靜電場的作用以及結構中的極性不連續(xù)類型等因素，可以獲得許多益于實際應用的特性。本文基于第一性原理，研究了含PbTiO3、LaAlO3和KNbO3三種組分的多層堆疊超晶格材料，即(PT)n/(LA)n超晶格和(PT)n/(KN)n超晶格，并建立了含兩種極性不連續(xù)的類型的堆疊結構，

2、即PT/LA/PT/KN結構（Ⅱ-Ⅳ/Ⅰ-Ⅴ/Ⅱ-Ⅳ/Ⅲ-Ⅲ型），考察每種超晶格結構結構在外力應變條件下極化特性和壓電行為的變化趨勢。
　　由能量與晶格參數的關系曲線，確定n=1時超晶格的平衡晶格參數。通過改變晶格參數的方式，對體系施加-1.5％~+1.5%的應變，計算其極化特性和壓電行為。在不同應變條件下，體系的極化強度隨著應變的增加，極化強度有所增強，壓電系數ezz提高，得到PT/ LA結構ezz=-3.343 C/m2；PT

3、/ KN結構ezz=+6.823 C/m2。
　　層數n是影響(PT)n/(LA)n和(PT)n/(KN)n超晶格性能的一個重要因素。隨著n值增加，體系的極化強度值和壓電系數 ezz降低，帶隙變小。因極性不連續(xù)界面而產生的內電場作用也隨n值的增加而逐漸減弱。當n值大小一定時，隨著體系的應變情況由壓應變逐漸轉變到拉應變，(PT)n/(LA)n和(PT)n/(KN)n超晶格的極化強度分別向（001）的負方向和正方向變大，但極化特性較n

4、=1的體系弱。
　　最后考察了含兩種極性不連續(xù)界面的PLPK結構，電子結構的計算結果表明，系統(tǒng)在-1.5%~+1.5%應變條件下扔保持絕緣性，但帶隙較小。在對該結構施加不同的應變量后，其極化強度值相比于單純的(PT)n/(LA)n或(PT)n/(KN)n超晶格要小2~6倍，其(001)方向的壓電響應系數也有很大降低，計算得ezz=-0.91147 C/m2。通過對其極性不連續(xù)的分析表明，這主要是由于TiO2/LaO、AlO2/Pb