1、目前，鐵電材料同時(shí)具有壓電，熱釋電，電光，聲光，光折變和非線性光學(xué)效應(yīng)，因此它們在微電子和光電子領(lǐng)域獲得了大量的應(yīng)用?，F(xiàn)在，由鐵電材料制成的器件在人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮著不可替代的作用?；阼F電材料的重要性，因此了解這類材料不同形態(tài)的物理性質(zhì)具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值。 近年來，很多理論方法，包括朗道唯象理論和原子層次上的第一性原理計(jì)算，被廣泛地用來研究鐵電材料的性質(zhì)。隨著密度泛函理論和計(jì)算機(jī)硬件的不斷發(fā)展，利用第一性原理方法計(jì)算電子結(jié)構(gòu)和

2、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)已成為研究鐵電體的一個(gè)常規(guī)方法。與實(shí)驗(yàn)中材料合成的進(jìn)展相平行，在過去幾十年中，有關(guān)鐵電體原子層次的理論計(jì)算也有了長足的發(fā)展，尤其是關(guān)于鈣鈦礦氧化物的第一性原理研究。起初，人們的研究重點(diǎn)在塊狀鐵電材料。第一性原理計(jì)算極大地幫助人們了解鐵電結(jié)構(gòu)的起源以及鐵電不穩(wěn)定性的內(nèi)部機(jī)制。有關(guān)這一方面的主要成果是，利用密度泛函理論在Bom-Oppenheimer近似的框架下計(jì)算基態(tài)能量，并由此得出基態(tài)晶格結(jié)構(gòu)，聲子色散關(guān)系，以及彈性常數(shù)。近幾

3、年來，第一性原理計(jì)算被逐漸擴(kuò)展到復(fù)雜體系(例如摻雜體系，超晶格和固溶體等)和低維體系(例如固體表面，納米管，量子阱以及量子點(diǎn)等)。在第一性原理的框架下模擬，可以清楚地確定問題，并針對問題進(jìn)行研究分析。所以，理論分析不僅解釋了復(fù)雜鐵電體系的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且為實(shí)驗(yàn)提供了一定的指導(dǎo)。 本論文把這種方法應(yīng)用到了鈣鈦礦型鐵電材料的表面結(jié)構(gòu)和摻雜體系。在計(jì)算中，主要采用了ESPRESSO軟件包和Castep程序。ESPRESSO軟件包是基于密

4、度泛函理論，利用平面波贗勢法(PWP)計(jì)算電子結(jié)構(gòu)的程序。Castep程序是Material Studio的一個(gè)模塊，它也是利用了平面波贗勢法。 下面列出了本論文展開的主要內(nèi)容： (1)對立方相BaZrO<,3>(001)表面的研究，包括以BaO和以ZrO<,2>為終結(jié)面的兩種表面結(jié)構(gòu)。通過計(jì)算得到了表面結(jié)構(gòu)，態(tài)密度，能帶結(jié)構(gòu)以及表面能。發(fā)現(xiàn)最大的表面弛豫發(fā)生在第一層原子，以BaO為終結(jié)面的表面弛豫要比以ZrO<,2>為

5、終結(jié)面的表面弛豫大。以BaO為終結(jié)面的表面褶皺也比以ZrO<,2>為終結(jié)面的表面褶皺大。相對于塊狀材料，兩種表面類型的帶隙都減小了，帶隙的減小主要來在表面層的O 2p和zr 4d電子。表面能的結(jié)果顯示BaZrO<,3>的表面比PbZrO<,3>的表面更穩(wěn)定。 (2)對鐵電體摻雜體系的研究。利用第一性原理研究了Fe摻雜BaTiO<,3>和SrTiO<,3>。計(jì)算得到了雜質(zhì)形成能，晶格畸變，能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。發(fā)現(xiàn)Fe摻雜BaTiO<

6、,3>和SrTiO<,3>的雜質(zhì)形成能分別是6.8 eV和6.5 eV。Fe雜質(zhì)和它最近鄰的O原子之間的距離以及Fe雜質(zhì)和Ba或Sr原子之間的距離都比塊狀材料的相應(yīng)距離變小了。對于兩種材料而言，在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間都出現(xiàn)了Fe摻雜能級，F(xiàn)e摻雜能級主要源于Fe 3d電子。 對Nb摻雜SrTiO<,3>電子結(jié)構(gòu)的研究。得到了雜質(zhì)形成能，結(jié)構(gòu)畸變，能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。雜質(zhì)形成能的結(jié)果顯示Nb更傾向于替位SrTiO<,3>中Ti的位置，這與

7、實(shí)驗(yàn)上符合得很好。經(jīng)過Nb摻雜后，SrTiO<,3>體系的費(fèi)密能級移動(dòng)到導(dǎo)帶的底部，SrTiO<,3>體系經(jīng)過了絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變。由于來自Nb雜質(zhì)的載流子使得價(jià)帶頂部發(fā)生了明顯的畸變。 對于Fe摻雜CaTiO<,3>電子性質(zhì)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究。采用了平面波贗勢法(PWP)，計(jì)算得到了雜質(zhì)的形成能，結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)，能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。雜質(zhì)的形成能顯示Fe更傾向于替換CaTiO<,3>中Ti的位置，這與實(shí)驗(yàn)上的結(jié)果是相符合的。此外，還發(fā)