钙钛矿型铁电体原子间相互作用势的优化及应用

摘要

钙钛矿(ABO3)型铁电材料具有优良的铁电、介电、压电、热释电、非线性光学等特性,所以它们在现代电子技术与光电子技术领域获得了广泛的应用。自上世纪八十年代以来,由于计算机软硬件及算法的发展,计算机模拟的方法被广泛的用来研究钙钛矿型铁电体的结构及性能,其中分子动力学就是重要的计算机模拟技术之一。分子动力学模拟的关键在于原子间相互作用势的确定。模拟结果的精确性和可靠性在很大程度上取决于原子间相互作用势参数的质量。钙钛矿铁电体原子相互作用势函数的参数非常多,高效地优化参数是一件非常复杂的工作。
　　本文提出了一种高效的势参数优化方法,即先应用方差分析的灵敏度方法从很多的势参量中找出对结构和性能影响最明显的势参量,忽略那些影响比较小的势参量,这样就在很大程度上降低了优化问题的维数;然后应用遗传算法对灵敏度大的参量进行优化,并给出了基于硬球模型和壳模型势参数的优化结果。对于硬球模型,分别用文献中的势参数和本文优化的势参数代入GULP计算程序得出立方相BaTiO3和SrTiO3晶格常数和物理性能的值,并与实验值进行了比较;对于壳模型,分别用文献中的势参数和本文优化的势参数代入GULP算程序得出立方相和四方相BaTiO计3和PbTiO3晶格常数和物理性能的值,并与实验值进行了比较。结果表明本文优化的势参数模拟得到的结构和性能很好地吻合了实验值,即应用遗传算法优化灵敏度系数大的势参数的是非常理想的。
　　最后把优化后的硬球模型势参数应用到BaTiO3薄膜的生长模拟中。从单个原子事件出发,应用动力学蒙特卡罗方法模拟BaTiO3薄膜生长过程,制定了模拟钙钛矿结构生长的成键方法,提出了适合模拟钙钛矿结构薄膜生长的动力学蒙特卡罗KMC方法(Kinetic Monte Carlo),分析基底温度和沉积速率对BaTiO3薄膜生长过程中形核率、岛密度和成键率的影响,以及沉积原子动能对BaTiO3薄膜生长过程中三维生长模式以及缺陷率的影响,取得了一些有用的结果,希望可以为优化工艺参数、制备高性能铁电薄膜提供依据。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究方法

1.3 本论文的选题依据和主要内容

第2章 钙钛矿铁电体原子间相互作用势参数的灵敏度分析

2.1 钙钛矿型铁电体原子间相互作用势参数模型

2.2 势参数的灵敏度分析

2.3 本章小结

第3章 钙钛矿型铁电体原子间相互作用势的优化

3.1 用GULP计算程序优化

3.2 利用遗传算法优化势参数

3.3 本章小结

第4章 BaTiO3薄膜生长的Kinetic Monte Carlo模拟

4.1 模拟方法介绍

4.2 基底温度对BaTiO3薄膜生长的影响

4.3 沉积速率对BaTiO3薄膜生长的影响

4.4 沉积原子动能对BaTiO3薄膜生长的影响

4.5 本章小结

第5章 总结和展望

5.1 论文总结

5.2 工作展望

参考文献

在学期间发表的学术论文与研究成果