铁电纳米材料的第一性原理计算

摘要

铁电纳米材料具有优良的铁电、介电、压电及光电等性能，广泛应用于微机电器件等领域。在纳米尺度下应变常常对铁电纳米材料的各种特性有非常大的影响，因此研究应变对材料的调控行为具有广泛的理论和实际意义。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了铁电纳米材料在应变调控作用下的铁电特性。首先，研究了铁电纳米材料中应变梯度产生的极化。铁电材料在微纳米尺度下很容易产生应变梯度，由应变梯度产生极化的现象称为挠曲电效应。应变梯度和极化之间的线性关系用挠曲电系数来描述。挠曲电系数是一个四阶张量，很难直接用实验测出其所有分量。利用第一性原理计算方法直接计算了铁电材料BaTiO3横向和剪切挠曲电系数。为了比较不同材料的挠曲电系数，对介电体SrTiO3材料的挠曲电系数也进行了计算。对于SrTiO3晶体，预测的横向和剪切挠曲电系数与实验测量一致，而BaTiO3晶体的预测值比实验值要小，这可能是由于温度差异和外来表面缺陷造成的。其次，研究了应变对铁电PbTiO3纳米管中非本征铁电性的作用，第一性原理计算结果表明:在(110)切向纳米管中，分别存在于纳米管内壁和外壁的压应变和拉应变引起氧八面体的旋转，从而导致铁电纳米管中出现非本征的铁电极化，而且其幅值与块体相当。通过第一原理计算还发现不同直径纳米管产生的弯曲应变对纳米管自身的结构稳定性及铁电与反铁电畸变的耦合起着重要作用。最后，本文模拟了两种石墨烯-铁电复合材料，发现石墨烯电荷能够屏蔽PTO退极化场使其铁电畸变稳定存在，且界面对铁电极化具有增强作用。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 铁电材料的简介和用途

1．2 铁电纳米材料的理论研究

1．3 本文研究内容

2 第一性原理计算方法

2．1 密度泛函理论

2．2 VASP软件介绍

3 铁电材料挠曲电系数的第一性原理计算

3．1 引言

3．2 挠曲电系数计算模型

3．3 挠曲电系数结果和分析

3．4 本章总结

4 铁电纳米管非本征铁电性研究

4．1 引言

4．2 (110)切向纳米管模型

4．3 应交与手性对非本征铁电性的影响

4．4 本章小结

5 石墨烯铁电复合材料的模拟

5．1 引言

5．2 铁电复合材料两种模型及结果分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

参考文献

作者简历