應(yīng)變條件下鐵電超晶格結(jié)構(gòu)壓電特性的第一性原理研究.pdf

1、鐵電超晶格薄膜結(jié)構(gòu)材料因其具有比單體材料更多的優(yōu)越性能而受到越來越多的關(guān)注，其壓電、光學(xué)以及介電特性都有優(yōu)越的表現(xiàn)。通過改變超晶格的化學(xué)組分、成分比例、應(yīng)變大小、靜電場的作用以及結(jié)構(gòu)中的極性不連續(xù)類型等因素，可以獲得許多益于實(shí)際應(yīng)用的特性。本文基于第一性原理，研究了含PbTiO3、LaAlO3和KNbO3三種組分的多層堆疊超晶格材料，即(PT)n/(LA)n超晶格和(PT)n/(KN)n超晶格，并建立了含兩種極性不連續(xù)的類型的堆疊結(jié)構(gòu)，

2、即PT/LA/PT/KN結(jié)構(gòu)（Ⅱ-Ⅳ/Ⅰ-Ⅴ/Ⅱ-Ⅳ/Ⅲ-Ⅲ型），考察每種超晶格結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)在外力應(yīng)變條件下極化特性和壓電行為的變化趨勢。
　　由能量與晶格參數(shù)的關(guān)系曲線，確定n=1時(shí)超晶格的平衡晶格參數(shù)。通過改變晶格參數(shù)的方式，對體系施加-1.5％~+1.5%的應(yīng)變，計(jì)算其極化特性和壓電行為。在不同應(yīng)變條件下，體系的極化強(qiáng)度隨著應(yīng)變的增加，極化強(qiáng)度有所增強(qiáng)，壓電系數(shù)ezz提高，得到PT/ LA結(jié)構(gòu)ezz=-3.343 C/m2；PT

3、/ KN結(jié)構(gòu)ezz=+6.823 C/m2。
　　層數(shù)n是影響(PT)n/(LA)n和(PT)n/(KN)n超晶格性能的一個重要因素。隨著n值增加，體系的極化強(qiáng)度值和壓電系數(shù) ezz降低，帶隙變小。因極性不連續(xù)界面而產(chǎn)生的內(nèi)電場作用也隨n值的增加而逐漸減弱。當(dāng)n值大小一定時(shí)，隨著體系的應(yīng)變情況由壓應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)變到拉應(yīng)變，(PT)n/(LA)n和(PT)n/(KN)n超晶格的極化強(qiáng)度分別向（001）的負(fù)方向和正方向變大，但極化特性較n

4、=1的體系弱。
　　最后考察了含兩種極性不連續(xù)界面的PLPK結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果表明，系統(tǒng)在-1.5%~+1.5%應(yīng)變條件下扔保持絕緣性，但帶隙較小。在對該結(jié)構(gòu)施加不同的應(yīng)變量后，其極化強(qiáng)度值相比于單純的(PT)n/(LA)n或(PT)n/(KN)n超晶格要小2~6倍，其(001)方向的壓電響應(yīng)系數(shù)也有很大降低，計(jì)算得ezz=-0.91147 C/m2。通過對其極性不連續(xù)的分析表明，這主要是由于TiO2/LaO、AlO2/Pb