BaTiO3铁电体辐射效应的分子动力学模拟

摘要

铁电材料是一种非常重要的信息功能材料,在空间技术中具有广泛的应用前景。由于空间环境的特殊性,应用在空间技术中的任何材料都必须考虑空间环境的辐射效应。目前,对铁电材料辐射效应的研究还非常的缺乏,而且铁电材料在辐射条件下失效的机制尚不清楚。本论文利用分子动力学方法,分别采用硬球模型与壳模型对BaTiO3铁电材料的辐射效应进行了研究。并在此基础上进一步发展了一套新的势函数。
　　1.研究了不同能量的入射粒子作用下体系结构的演变情况。采用一个相对简单的对势硬球模型,对BaTiO3块体体系与BaTiO3表面体系进行了辐射效应的分子动力学模拟。研究了一系列不同入射能量对块体体系及表面体系结构的影响。在BaTiO3块体体系中,观察到了如氧空位、间隙原子以及辐射诱导的结构非晶化等结构的变化,而在BaTiO3表面体系中,发现入射粒子主要产生氧空位。结果表明辐射导致的体系结构的变化与入射粒子的能量直接相关,当入射能量达到一定程度时,可在铁电体内产生大量的结构缺陷,甚至导致体系非晶化。在BaTiO3块体体系中,2000eV的入射能可使块体结构中产生大量的空位及间隙原子,10000eV的入射能量可使体系变成非晶状结构;而表面体系中,40eV的入射能量便可使表面中将产生永久性的氧空位;
　　2.研究了辐射过程中铁电材料自发极化的变化。采用了壳模型分子动力学方法。由于壳模型在辐射效应模拟上的局限性,对传统的壳模型进行了改进:在短程作用上增加了库仑屏蔽普适势ZBL与修改了实心-电子之间的相互作用项。利用改进后的壳模型正确地模拟了BaTiO3体系的相变过程,准确地计算了Frenkel缺陷形成能,说明改进后的壳模型可用来进行辐射效应的研究。利用该模型计算了带有不同数目氧空位的体系的极化强度,结果表明随着氧空位的增加,极化强度减小。
　　3.在硬球模型的基础上拟合了一套更合理的势函数,该势函数克服了在计算原子间静电作用时采用点电荷近似所带来的不准确性。将该势函数应用到BaTiO3体系,成功的模拟了该体系的晶体结构与弹性常数。认为该势函数可以应用于模拟铁电材料在辐射条件下的结构变化。

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第1章 绪论

1.1 铁电材料概述

1.2 钙钛矿型铁电体

1.3 铁电材料的辐射效应

1.4 铁电材料辐射条件下的研究方法及现状

1.5 课题选题依据及主要内容

第2章 分子动力学方法

2.1 基本原理与概念

2.2 初始条件、边界条件和相互作用的截断

2.3 原子间的相互作用势

2.4 时间积分算法

2.5 分子动力学模拟的系综

2.6 感兴趣量的提取

第3章 BaTiO3辐射条件下的分子动力学模拟：硬球模型

3.1 概述

3.2 势函数及计算细节

3.3 BaTiO3块体体系的辐射效应

3.4 BaTiO3表面体系的辐射效应

3.5 本章小结

第4章 BaTiO3辐射条件下的分子动力学模拟：壳模型

4.1 概述

4.2 壳模型介绍

4.3 模型改进

4.4 自发极化的计算公式改变

4.5 模型验证

4.6 氧空位对极化强度的影响

4.7 本章小结

第5章 BaTiO3铁电体新型势函数的构建

5.1 概述

5.2 势函数模型及参数

5.3 势函数的验证

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已公开发表的论文