鈣鈦礦型鐵電體成鍵機(jī)制與自發(fā)極化的第一性原理研究.pdf

1、鈣鈦礦型鐵電材料由于具有豐富的物理屬性和在微電子和光電子領(lǐng)域潛在的應(yīng)用價值，已成為研究最為廣泛的鐵電材料。隨著應(yīng)用的深入和技術(shù)的革新，對于鈣鈦礦型鐵電材料的很多深刻物理問題已不能僅停留在基于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的理論基礎(chǔ)上。許多的材料機(jī)理以及實(shí)驗(yàn)研究中表現(xiàn)出的物理現(xiàn)象需要從量子理論的框架中尋求答案。本文基于密度泛函的理論框架，結(jié)合全電子勢線性綴加平面波方法(FP-LAPW)和贗勢投影平面波方法(PP-PAW)的計(jì)算優(yōu)勢，針對鈣鈦礦型鐵電體的電子結(jié)構(gòu)

2、、化學(xué)鍵、自發(fā)極化以及光學(xué)性質(zhì)等物理性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究，并取得如下主要成果。
　　 1．對BaTiO3、PbTiO3和KNbO3三種典型的ABO3型鐵電體立方相和四方相的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度進(jìn)行了計(jì)算，并對比了其它幾種ABO3型鐵電體立方相的電子結(jié)構(gòu)。根據(jù)第一性原理計(jì)算得到的BaTiO3、PbTiO3和KNbO3的電荷密度結(jié)合AIM理論分析了三種鐵電體立方相和鐵電相的成鍵機(jī)制，并與其它幾種ABO3型鐵電體的成鍵性質(zhì)做了對比，找

3、到了ABO3 型鐵電體的成鍵性質(zhì)隨A、B位陽離子的變化規(guī)律。結(jié)合實(shí)驗(yàn)對BaTiO3、PbTiO3和KNbO3光學(xué)性質(zhì)的研究，我們系統(tǒng)地分析了ABO3型鐵電體的光學(xué)性質(zhì)如介電函數(shù)、反射譜、吸收譜、能量損失譜、折射系數(shù)、消光系數(shù)和光導(dǎo)率。
　　 2．系統(tǒng)地分析了結(jié)構(gòu)畸變對BaTiO3、PbTiO3和KNbO3三種ABO3型鐵電體的成鍵機(jī)制、自發(fā)極化以及Born有效電荷的影響。結(jié)合AIM理論計(jì)算模擬了體積形變和離子位移對BaTiO3的

4、成鍵強(qiáng)度以及成鍵過程中的電荷轉(zhuǎn)移。結(jié)果表明了結(jié)構(gòu)畸變主要影響B(tài)aTiO3中的Ti-O鍵，對Ba與TaO6之間的離子鍵特性影響很小。采用現(xiàn)代極化理論對三種鐵電體的自發(fā)極化進(jìn)行了理論分析，并獲得了跟實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果。自發(fā)極化與結(jié)構(gòu)畸變的關(guān)系顯示，在小畸變的情況下，自發(fā)極化與離子的位移保持線性的關(guān)系，在大畸變的情況下，自發(fā)極化隨離子位移的變化關(guān)系顯現(xiàn)出非線性的現(xiàn)象。計(jì)算顯示Born有效電荷主要敏感于離子位移，受體積形變和各向同性壓力的影響很小。

5、
　　 3．系統(tǒng)地研究了鉍層狀鈣鈦礦型鐵電體SBT和SBN的總能、電子結(jié)構(gòu)和自發(fā)極化的起源?？偰芎蛻B(tài)密度的分析發(fā)現(xiàn)SBT和SBN鐵電相的總能降低并非源之各原子間的軌道雜化，而是由于Bi2O2層和SrB2O7鈣鈦礦層畸變以及它們相互耦合作用。電荷密度和AIM理論計(jì)算的遷移電荷分析發(fā)現(xiàn)B位離子(Ta、Nb)和O之間以及Bi和O之間的共價雜化是SBT(SBN)的鐵電性質(zhì)和結(jié)構(gòu)畸變的主要因素。采用現(xiàn)代極化理論計(jì)算的自發(fā)極化與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果很