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四方相BaTiO_3缺陷性质的第一性原理研究

作　者: 刘柏年
导　师: 马颖
学　校: 湘潭大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: BaTiO3 第一原理缺陷自发极化双空位
分类号: TM221
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

缺陷普遍存在于铁电材料中,对材料的宏观力学,电学和光学性能产生很大的影响。因此,铁电材料中的缺陷问题已引起广泛的关注并成为研究热点。但是,目前对于铁电材料的缺陷效应研究还非常缺乏,且微观机制尚存争议。本论文基于第一性原理从头算方法,对钙钛矿结构铁电体BaTiO₃的几种基本缺陷及其性质进行了系统的理论研究,并取得了以下成果:1.研究了四方相BaTiO₃的晶格常数、体弹模量、能带结构。通过总能收敛测试,建立3×3×3的超原胞作为缺陷的计算模型。引入各种本征点缺陷如空位、弗伦凯尔缺陷、肖特基缺陷。计算了缺陷的形成能,找到了形成能与原子化学势,带电缺陷形成能与电子化学势的变化规律,并获得了与实验一致的结果。计算结果表明缺陷形成能随原子化学势剧烈变化,在还原环境下氧空位很容易形成,而在富含氧的氧化环境下,氧空位的形成能最高,因此可以通过在氧化环境下的退火来抑制氧空位的形成,从而防止铁电材料的疲劳失效。V_Ba - V_O双空位缺陷形成能在所有化学环境势下都容易形成,是缺陷研究的重点对象。弗伦凯尔缺陷的形成能很高,在BaTiO3中很难形成。满价态的带电空位比中性空位更为稳定。2.在原子尺度对印记的偶极子机制进行了初步分析。模拟了含有一定浓度的V_Ba - V_O双空位缺陷体系。系统地研究了3×3×3的超原胞中相距第一、二、三、四近邻不同取向的V_Ba - V_O双空位缺陷形成能。找出了最为稳定的V_Ba - V_O双空位缺陷体系。通过一种新的方法并结合现代极化理论计算和分析了含V_Ba - V_O双空位缺陷体系的自发极化,同时与经典的分子动力学方法计算得到的结果进行了比较。结果表明相距第二近邻偶极矩与自发极化同向的V_Ba - V_O双空位结构形成能最低。在有序的V_Ba - V_O双空位结构中,极化-电场关系曲线上下方向的极化强度不再对称,在垂直方向有明显的偏移,而在随机分布的V_Ba - V_O双空位结构中,则无印记产生。这表明在BaTiO₃中,有序的V_Ba - V_O双空位与印记密切相关。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-16
  1.1 研究背景  9-12
    1.1.1 铁电体及其应用  9-10
    1.1.2 钙钛矿型铁电体  10-11
    1.1.3 BaTi0_3 铁电体  11-12
  1.2 铁电体中的缺陷  12-14
    1.2.1 缺陷普遍存在  12-13
    1.2.2 缺陷效应  13
    1.2.3 缺陷的研究方法  13-14
  1.3 研究现状  14-15
  1.4 研究内容  15-16
第二章理论和计算方法  16-22
  2.1 多粒子体系的Schro|..|dinger 方程  16-17
  2.2 绝热近似  17
  2.3 哈特利-福克近似  17-18
  2.4 密度泛函理论  18-19
    2.4.1 Hohenberg-Kohn 定理  18
    2.4.2 Kohn-Sham 方程  18-19
  2.5 交换关联能泛函的近似  19-20
    2.5.1 局域密度近似(LDA)  19-20
    2.5.2 广义梯度近似(GGA)  20
  2.6 赝势  20-21
  2.7 VASP 软件简介  21-22
第三章四方相BaTi0_3缺陷性质的第一性原理计算  22-35
  3.1 引言  22-23
  3.2 计算模型和方法  23-29
  3.3 计算结果和讨论  29-34
    3.3.1 孤立空位形成能  29-31
    3.3.2 肖特基缺陷形成能  31-33
    3.3.3 弗伦凯尔缺陷形成能  33-34
  3.4 本章小结  34-35
第四章 V_(Ba)-V_O双空位与印记机制的第一性原理研究  35-43
  4.1 引言  35
  4.2 计算方法和模型  35-36
  4.3 结果与讨论  36-42
    4.3.1 双空位形成能  36-37
    4.3.2 双空位对自发极化的影响  37-42
  4.4 本章小结  42-43
第五章总结和展望  43-45
  5.1 总结  43-44
  5.2 展望  44-45
参考文献  45-50
致谢  50-51
个人简介  51-52
攻读硕士学位期间发表的论文  52

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