钽铌酸钾晶体表面性质的第一性原理研究

摘要

从20世纪80年代至今,薄膜制造技术得到了高速发展,极大的推动了铁电晶体薄膜在存储器、红外探测、光电子元器件等领域的研究和应用。钽铌酸钾(KTaxNb1-xO3简写为KTN)晶体是具有典型钙钛矿结构(ABO3)的无铅材料,它有较大的二次电光效应,且兼具半波电压小等优秀的电光性能,是十分重要的电光信息功能材料,同时兼具铁电压电性能。基于密度泛函理论的第一性原理是研究晶体材料微观结构的有效工具,利用第一性原理计算方法对 KTN晶体顺电、铁电相表面和薄膜开展深入的理论研究,具有重要的指导意义和应用价值。
　　利用CASTEP软件包建立铌酸钾晶体体块内部[100]晶向和(100)表面模型,在优化得到稳定的晶体[100]晶向和(100)表面几何结构的基础上,计算相应晶向和表面的能带密度、电子总态密度和各原子分态密度,计算它们的弹性常数、电荷密度以及光学性质,并将体块材料和表面的计算结果进行对比,分析体块材料内部与表面性能产生异同的原因。
　　对 KTN晶体表面结构的无序复杂性进行定向排列建模,将计算结果推广至真实的无序分布。用密度泛函理论的局域密度近似和广义梯度近似方法分别对顺电相 KTa0.5Nb0.5O3晶体不同晶向表面模型的物理性质进行系统分析和研究,讨论有序取向KTN晶体(100)、(110)和(111)表面物理性质之间的异同,从微观机制上解释了所获得的结果。
　　在取向 KTN晶体中,铁电相对 B位阳离子的局域有序取向比较敏感,铁电顺电相变是由B位阳离子的偏心位移导致结构不稳定造成的。通过第一性原理研究有序铁电相 KTa0.5Nb0.5O3固溶体(100)、(110)和(111)表面的性质,结构优化获得其稳定结构,进而获得铁电相表面电子和光学等相关性质。结果显示铁电相三个表面的光学性质并不完全相同,与相应的顺电相表面结果进行比较,也存在较大差异。将折射率与相应薄膜实测结果对比,分析了产生差异的各种影响因素。
　　KTN是固溶体,A、B位阳离子对晶体性质都起到重要的作用,本文建立相应的模型分别研究B位不同Ta离子和Nb离子比例的KTaxNb1-xO3(x=0.25,0.50,0.75),以及 A位 Na离子和 Li离子替代 K离子的钽铌酸钾钠(KNTN)和钽铌酸钾锂(KLTN)晶体表面的结构和光学性质。阳离子的有序取向会改变晶体表面能带带隙、各原子投影态密度和总态密度,这将导致表面光学特性也随阳离子的含量和取向而发生改变。
　　本文建立了局域有序 KTN晶体表面结构模型,利用第一性原理对其性质进行理论计算。结果表明,晶体表面的顺电相与铁电相各方面性质存在很大差别,A、B位阳离子替代对KTN晶体表面的光学性质都产生影响,并可实现在一定范围内的调控。计算结果可为今后制备光学功能薄膜或器件提供数据参考。

目录

钽铌酸钾晶体表面性质的第一性原理研究

SURFACE PROPERTIES OF POTASSIUM TANTALITE NIOBATE CRYSTAL：A FIRST-PRINCIPLES STUDY

摘 要

Abstract

Contents

绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 KTN晶体表面与薄膜的研究进展

1.3 第一性原理计算方法的研究进展

1.4 本文的主要研究内容

第2章 铌酸钾晶体表面的性质

2.1 引言

2.2 密度泛函理论中的近似方法与赝势

2.3 KN晶体和表面模型的建立与几何结构优化

2.4 KN晶体[100]晶向和(100)表面性质的计算结果

2.5 本章小结

第3章 顺电相KTN晶体表面性质

3.1 引言

3.2 顺电相KTN晶体表面结构模型的建立

3.3 顺电相KTN晶体表面几何结构优化

3.4 能带结构与态密度计算结果分析

3.5 顺电相KTN晶体表面光学性质分析

3.6 本章小结

第4章 铁电相KTN晶体表面性质

4.1 引言

4.2 铁电相KTN晶体表面计算模型

4.3 铁电相KTN晶体表面几何结构优化结果

4.4 态密度计算结果分析

4.5 铁电相KTN晶体表面光学性质分析

4.6 折射率消光系数实验值与计算值的比较

4.7 本章小结

第5章 阳离子替代对KTN表面性质的影响

5.1 引言

5.2 B位阳离子替代KTN晶体表面性质

5.3 A位碱金属替代KTN晶体表面性质

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历