分子动力学研究钛酸钡薄膜铁电相变

摘要

铁电材料是一类非常重要的微电子材料，在存储介质，压电器件，传感设备方面都有广泛的应用。钛酸钡作为一种典型的铁电材料，往往被用来研究铁电相关特性。体材料状态的钛酸钡材料的性质已经趋于完善，但薄膜状态钛酸钡相关性能并不明了。超薄厚度的钛酸钡薄膜制备的困难使得实验方法研究钛酸钡薄膜受到重重阻扰，通过计算机模拟的方法可以有效地降低实验中的人为影响，从计算上得到薄膜的相关特性。本文通过基于壳核模型(shell model)的分子动力学方法研究了钛酸钡薄膜的相变行为。
　　在本文的第三章，以典型的铁电电容器为原型，构建了以TiO2为表面层的钛酸钡薄膜，为了引入基板对薄膜的影响，-1.5％的面内应变来描述薄膜与基板之间的晶格失配。使用壳核模型描述了钛酸钡离子晶体，同时给出了模型中的作用势和作用对象，相关的计算参数通过第一性原理的计算结果拟合得到,然后在该章的最后给出了模拟的详细计算步骤和使用的参数。我们通过对计算结果的分析，观察到了钛酸钡薄膜明显的表面效应。在晶格参数方面，不管是顺电相还是铁电相的薄膜均随厚度的增加而增加，但后者的递增趋势较缓。通过分析薄膜不同温度下的晶格参数的变化，得到了明显的铁电相变点。其相变温度随薄膜厚度增加而增加，增加幅度却逐步减缓，接着通过拟合延伸预测了钛酸钡薄膜的临界厚度。在极化强度方面，使用统计学方法计算了薄膜的面内外极化强度，发现温度的变化并不影响该应变下薄膜的面内极化强度。而面外极化强度在低温时呈畴结构，温度的增加，畴结构会消失，消失的温度曲线与晶格参数的到得相变温度曲线比较相似。
　　另外，在本文的开始部分，介绍了铁电材料的研究背景，铁电薄膜的主要研究方法，国内外对铁电薄膜的研究现状以及钛酸钡晶体的相变过程和铁电性质等。在第二章中，对本论文使用主要方法分子动力学的基本原理，积分算法以及系综等重要概念进行了简要地阐述。

目录

分子动力学研究钛酸钡薄膜铁电相变

STUDY ON THE FERROELECTRIC TRANSITION OF BARIUM TITANATE THIN FILM BY MOLECULAR DYNAMICS

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 铁电材料概述

1.2 国内外研究现状

1.3 钛酸钡晶体介绍

1.4 本论文主要研究内容

第2章 分子动力学计算方法

2.1 引言

2.2 分子动力学介绍

2.3 本章小结

第3章 系统模型及计算方法

3.1 钛酸钡薄膜的系统模型

3.2 钛酸钡晶体的Shell Model模型

3.3 计算步骤

3.4 本章小结

第4章 模拟结果及讨论

4.1 结构优化

4.2 晶格参数分析

4.3 钛酸钡薄膜的临界厚度

4.4 极化性能分析

4.5 系综的影响

4.6 本章小结

结论

参考文献

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