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《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》 2018年
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漂移扩散模型应用及极化金属第一性原理研究

马超  
【摘要】:本文首先综述了钙钛矿材料自身和界面上比较前沿的研究进展,表明钙钛矿材料有广阔的研究空间。然后引入漂移扩散模型在铁电材料表面电势的模拟,以及电致电阻效应的解释方面的工作,表明漂移扩散模型普遍适用于电荷动力学过程的模拟。通过密度泛函理论计算,对于基于铁电材料的极化金属开展了细致的研究,得出了几个有重要实际意义的结果。本论文的主要内容如下:1.对铁电材料表面电势的研究,是最近发展的一种非接触式的研究方法,对于铁电状态的非接触、非破坏性读取,在存储领域有着巨大的前景。通过引入合适的假设,我们发展了铁电材料表面电荷动力学理论,解释了铁电材料表面电势的衰减,以及光照(光子能量超过材料带隙)之后表面电势的恢复行为;也模拟了不同畴尺寸和不同畴间距对表面电势的演化的影响。模拟结果与实验结果有很好的符合,印证了表面电势的电荷动力学理论。2.对于在光场下、温度相关、有氧缺陷的SrTiO_3基片中发现的电致电阻特性,我们建立了氧空位作为带电离子参与导电过程的模型,用漂移扩散模型模拟了不同条件下的电致电阻行为。研究表明,氧空位作为慢速离子参与导电过程,其作用是在外电场下的重新分布会引起显著的场效应,使得外场的效果降低或增强,从而表现出电致电阻现象。3.我们应用密度泛函理论计算了基于孤对电子铁电材料的PbTi_(0.875)Nb_(0.125)O_3的极化金属性质,与实验结果相符。又研究了可能的孤对电子铁电材料SnTiO_3中自由载流子和极化结构共存的机理,以及不同形式的相互作用在铁电相变中的贡献,并且发现了掺杂载流子的各向异性屏蔽作用。4.我们采用密度泛函理论计算研究了非孤对电子铁电材料BaTiO_3中压应力对极化金属相的影响,发现压应力有助于提高临界掺杂浓度,以及极化结构存在的临界温度,对其机理的研究,对于获得实验上易得的极化金属材料有重要指导意义。5.我们采用密度泛函理论计算,提出了一种通过多层结构设计有效获得极化金属的途径,并通过对块材输运的计算,指出在极化金属中存在强各向异性的电导和电子热导,这说明极化金属在电子开关等方面的应用很有潜力。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB34

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