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《湘潭大学》 2010年
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四方相BaTiO_3缺陷性质的第一性原理研究

刘柏年  
【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BaTiO_3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BaTiO_3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BaTiO_3中,有序的V_(Ba) - V_O双空位与印记密切相关。
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