鐵電體的第一性原理研究進(jìn)展

Dielectric

鐵電體的第一性原理研究進(jìn)展目錄contents01鐵電體的發(fā)展02第一性原理計(jì)算原理03研究現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn)鐵電體的定義

某些晶體在一定的溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，而且其自發(fā)極化方向可以因外電場(chǎng)方向的反向而反向，晶體的這種性質(zhì)稱為鐵電性，具有鐵電性的晶體稱為鐵電體。鐵電體的重要特征之一是具有電滯回線，電滯回線的存在是判定晶體為鐵電體的重要根據(jù)。鐵電體的發(fā)展歷史

鐵電材料是一類重要的功能材料，它具有介電性、壓電性、熱釋電性、鐵電性以及電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、光折變效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)等重要特性，可用于制作鐵電存儲(chǔ)器、熱釋電紅外探測(cè)器、空間光調(diào)制器、光波導(dǎo)、介質(zhì)移相器、壓控濾波器等重要的新型元器件。這些元器件在航空航天、通信、家電、國防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前，因此鐵電材料成了近年來高新技術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)之一。研究內(nèi)容

1.第一性原理的計(jì)算：關(guān)于鐵電性起因方面有許多問題尚未解決,如鈦酸鉛(PTO)和鈦酸鋇(BTO)有鐵電性,而類似結(jié)構(gòu)的鈦酸鍶(STO)卻沒有鐵電性。隨著現(xiàn)代能帶結(jié)構(gòu)的方法和高速計(jì)算機(jī)的發(fā)展,人們通過第一性原理對(duì)BTO、PTO等鐵電體的計(jì)算得出了電子密度分布,軟模位移和自發(fā)極化等重要結(jié)果,對(duì)理解鐵電性的微觀機(jī)制有重要的參考價(jià)值。2.尺寸效應(yīng)的研究：隨著鐵電薄膜和鐵電超微粉的發(fā)展,鐵電尺寸效應(yīng)已經(jīng)顯現(xiàn)出來。近幾年來,人們從微觀理論、宏觀理論、實(shí)驗(yàn)方面等方面做了深入研究。預(yù)言了自發(fā)極化、相變溫度和介電極化率等隨尺寸的變化規(guī)律,計(jì)算了典型鐵電體的鐵電臨界尺寸,并得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。它不但對(duì)集成鐵電器件和精細(xì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)作用,而且是鐵電理論在有限尺寸條件下的發(fā)展。近年新進(jìn)展

3.鐵電液晶、鐵電聚合物的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究：鐵電液晶方面,Meyer在1975年首次發(fā)現(xiàn)由手性分子組成的傾斜層狀C相液晶具有鐵電性。研究發(fā)現(xiàn)鐵電液晶在非線性光學(xué)和電光顯示方面很有價(jià)值,其二次諧波發(fā)生效率不低于常用的無機(jī)非線性光學(xué)晶體,而其電光顯示基于極化翻轉(zhuǎn),響應(yīng)速度比普通絲狀相液晶快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。70年代末人們還發(fā)現(xiàn)了鐵電聚合物,如奇數(shù)尼龍。聚合物的組分繁多,結(jié)構(gòu)多樣,鐵電聚合物的發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展了鐵電體學(xué)的研究領(lǐng)域。4.集成鐵電體的研究(鐵電薄膜與半導(dǎo)體集成)：由于鐵電存儲(chǔ)器的諸多優(yōu)點(diǎn),近幾年來人們對(duì)鐵電薄膜與半導(dǎo)體集成投入了大量的研究。鐵電薄膜的極化具備兩個(gè)不同的穩(wěn)定狀態(tài)(剩余極化強(qiáng)度士Pr),可分別作為信息存儲(chǔ)的“0‘’和,‘l”代碼。早在50年代人們就開始作了這方面的研究。當(dāng)時(shí)存在的問題主要為:塊材要求電壓很高,不能滿足應(yīng)用的要求;電滯回線的矩形度差,易發(fā)生讀寫錯(cuò)誤;疲勞特性很差。80年代以來,由于鐵電薄膜制備技術(shù)的改進(jìn),新的鐵電材料及電極材料的出現(xiàn),鐵電存儲(chǔ)器又重新活躍起來。為什么選用第一性原理？

我們采用第一性原理的辦法研究鐵電材料的原因是：(1)它是一種不依賴參量化的理論計(jì)算；(2)可以處理勢(shì)能面問題；(3)可以清楚理解所觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)行為的起源；(4)可被應(yīng)用于多種材料；(5)可計(jì)算溫度、壓力等外界條件的效應(yīng)。多原子體系的薛定諤方程4計(jì)算原理

由于固體物質(zhì)中存在大量的原子核和電子，處理如此多數(shù)量的量子多粒子系統(tǒng)，必須采用近似方法。通過玻恩－奧本海默（Born-Oppenheimer）絕熱近似，將原子核的運(yùn)動(dòng)與電子的運(yùn)動(dòng)分開，即考慮電子運(yùn)動(dòng)時(shí)原子核是處在它們的瞬時(shí)位置上，核的運(yùn)動(dòng)不影響電子的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)考慮核的運(yùn)動(dòng)時(shí)則不考慮電子在空間的具體分布。在Hohenberg-Kohn定理的基礎(chǔ)上，