1、在當前的鐵電體物理學內(nèi)，鐵電體的低維特性和鐵電體的調制結構是兩個重要研究方向。鐵電體低維特性的研究主要是鐵電薄膜元件提出的要求。鐵電薄膜的厚度一般在數(shù)十納米至數(shù)微米范圍內(nèi)，具有一系列重要的特性和效應，如良好的介電性、鐵電性、壓電效應、熱釋電效應和光電特性等，并且適合平面加工工藝，多年來一直是鐵電體物理學和高技術新材料研究的前沿和熱點。近年來，將鐵電薄膜和半導體材料結合形成的集成鐵電體學的出現(xiàn)，更是豐富和擴展了鐵電材料在非易失鐵電存儲器、

2、微傳感器和光調制器等高性能微電子、光電子集成器件方面的研究和應用，受到了材料科學、凝聚態(tài)物理、微電子學和信息科學等眾多領域學者的關注。鐵電薄膜材料已經(jīng)成為構建信息技術載體的重要物質基礎，其發(fā)展前景是不可估量的。 在鐵電薄膜的應用中，不可避免的存在著界面效應，包括鐵電薄膜與半導體基底間的界面、鐵電薄膜與電極間的界面等。界面性質的優(yōu)良直接影響著器件性能的表現(xiàn)，例如鐵電薄膜與半導體界面的化學環(huán)境對能帶偏移量有重要的影響，而該物理量對漏

3、電流的大小有決定性作用；鐵電薄膜與所采用的電極材料的相互作用在確定鐵電疲勞特性中起著至關重要的作用等等。因此有必要探明這些變化規(guī)律并從理論上加以解釋。 對鐵電體的調制結構的研究是伴隨著對鐵電薄膜材料不斷提高的要求而發(fā)展起來的。為了制備出性能更好的薄膜材料，人們不斷改善薄膜的制備工藝，同時探索新的制備方法。近年來，實驗上通過采用超晶格的途徑很好的提高了鐵電薄膜的性能，如巨大的介電常數(shù)，增強的鐵電特性等，引起了人們的興趣。這些性能的

4、改善與各成分間的界面對結構的調制有直接影響。 隨著相關理論和數(shù)值算法的飛速發(fā)展，基于密度泛函理論的第一性原理計算已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理，量子化學和材料科學中重要的理論研究手段，也成為鐵電體理論研究非常重要的工具。第一性原理計算應用量子力學的基本方程和某些合理的近似，力求盡量排除經(jīng)驗知識的干擾，從電子結構水平對復雜多粒子體系展開研究并給出基本性質。 本論文利用基于密度泛函理論的第一性原理方法，從原子和電子的層次上研究了鈣鈦礦型

5、鐵電薄膜和超晶格的一些物理性質。此外，本論文對弛豫鐵電體Pb(Mg<'1/3>Nb<'2/3>)O<,3>的原子和電子結構也進行了理論研究。第一章簡要介紹了鐵電薄膜和鐵電超晶格的第一性原理研究現(xiàn)狀。在本章的前半部分，概述了鐵電材料的研究歷史和鐵電薄膜在非易失鐵電存儲器等方面的應用。本章的后半部分首先介紹了密度泛函理論的基本框架及其發(fā)展過程、兩種常用的交換關聯(lián)勢(局域密度近似和廣義梯度近似)、以及最近對密度泛函的各種修正和擴充。接著我們對

6、近年來鐵電薄膜和鐵電超晶格的第一性原理研究進展作了回顧。結合基本研究模型，介紹了近年來鈣鈦礦型鐵電薄膜表面，鐵電薄膜與半導體、鐵電薄膜與電極形成的界面，以及鐵電超晶格的第一性原理研究的基本思路、方法和主要結論。在本章的最后，我們簡要介紹了論文工作中使用的密度泛函計算軟件-CASTEP和PWscf軟件。 第二章中對立方相CaTiO<,3>和SrZrO<,3>的(001)表面性質進行了密度泛函理論研究。CaTiO<,3>是先兆型鐵電

7、體，SrZrO<,3>雖然本身是順電體，但在受應力作用時可具有鐵電性。在研究中考慮了兩種表面類型，分別以AO和BO<,2>作為表面終止層。幾何優(yōu)化的結果表明，兩種表面類型都發(fā)生了表面褶皺現(xiàn)象，但以AO為終止層的表面的褶皺程度比以：BO<,2>為終止層的表面明顯許多。表面層和第二層的層間距相對于體材料有明顯的減小，第二層和第三層的層間距則有一定的增加，至第四層時，層間距已基本恢復到體材料的值。通過計算表面的電子結構可知，以AO為終止層的表

8、面的帶隙值與體材料的帶隙值基本相同，而以BO<,2>為終止層的表面的帶隙與體材料相比則有一定的降低，這主要是由于以BO<,2>為終止層的表面，其價帶頂?shù)哪軒г贛點處發(fā)生了向高能量區(qū)域方向移動的緣故。對表面能量的計算發(fā)現(xiàn)，以AO為終止層的表面比以BO<,2>為終止層的表面穩(wěn)定，因此，CaTiO<,3>(001)和SrZrO<,3>(001)表面上易出現(xiàn)以AO為終止層的表面結構。 第三章研究的是疊層周期較短的SrZrO<,3>/Sr

9、TiO<,3>鐵電超晶格。SrZrO<,3>和SrTiO<,3>的體材料均沒有鐵電性，但實驗上利用MBE方法制備的SrZrO<,3>／SrTiO<,3>超晶格中卻觀察到清晰的電滯回線。我們在理論計算中構造了迭代周期分別為2、3、4和5個晶胞厚度的SrZrO<,3>/SrTiO<,3>超晶格，利用密度泛函以及Berry相方法研究了他們的電子結構和極化性質。理論計算清楚的表明該超晶格表現(xiàn)出較強的鐵電性，其極化強度可達0.346～0.427C

10、/m<'2>。這些超晶格中鐵電性的出現(xiàn)是由于SrZrO<,3>和SrTiO<,3>之間較大的晶格常數(shù)差別(6.39﹪)。當兩者交替堆疊形成超晶格時，由于較大的晶格失配，界面處會受到較強的應變作用引起晶格畸變，使得陽離子和陰離子發(fā)生相對位移，從而出現(xiàn)較強的極化強度。對局域極化行為的研究表明，超晶格中的SrZrO<,3>層和SrTiO<,3>層都出現(xiàn)了較高的極化強度值，但SrZrO<,3>層的極化強度值更高一些。我們的計算發(fā)現(xiàn)，SrZrO<

11、,3>/SrTiO<,3>超晶格的極化強度值與晶格畸變(c/α值)的大小有較強的依賴關系，即晶格畸變越大的超晶格，其極化強度值也越大，與實驗結論一致。另外，本工作還對受應變作用的SrZrO<,3>和SrTiO<,3>體材料進行了計算。結果發(fā)現(xiàn)，在受到與SrZrO<,3>層和SrTiO<,3>層在(SrZrO<,3>)<,1>/(SrTiO<,3>)<,1>超晶格中同樣的應變時，SrZrO<,3>體材料的極化強度可高達0．601C/m<'

12、2>，而SrTiO<,3>體材料的極化強度則僅有0.014C/m<'2>。 在第四章中，利用密度泛函方法研究了BaTiO<,3>/Ge(001)界面。BaTiO<,3>是有較高介電常數(shù)的鈣鈦礦型鐵電體，半導體Ge具有優(yōu)于si的高載流子遷移率(電子遷移率是Si的兩倍，空穴遷移率是Si的四倍)，這使得BaTiO<,3>/Ge系統(tǒng)在高速電路器件中具有很強的吸引力。本章中，我們首先簡要介紹了Ge(001)表面的各種表面重構現(xiàn)象以及BaT

13、iO<,3>的基本情況。接著，根據(jù)Peacock和Robertson等提出的界面鍵結規(guī)則構造了Ⅰ型和Ⅱ型兩種：BaTiO<,3>/Ge界面結構，并進行了系統(tǒng)研究。計算發(fā)現(xiàn)，兩種結構界面層Ge的帶隙中均沒有出現(xiàn)由界面引起的帶隙中間態(tài)，表現(xiàn)出良好的半導特性。界面處的化學構成對能帶偏移量有較大的影響，當界面由缺氧的Ⅰ型轉變成富氧的Ⅱ型時，能帶偏移量改變了1.5eV。構造的Ⅰ型界面的價帶偏移和導帶偏移分別為1.2eV和1.34eV，均符合對能帶

14、偏移量的最低要求(1eV)，因此該界面有可能成為實際器件中的界面結構。 第五章對BaTiO<,3>與金屬(Ag、Au和Pt)形成的界面進行了密度泛函理論研究。計算中考慮了由于BaTiO<,3>(001)終止表面的不同(BaO在外或TiO<,2>在外)，以及界面層金屬吸附位置不同而形成的各種界面結構。對優(yōu)化后界面進行的分離功計算發(fā)現(xiàn)，相對于以BaO為終止層的BaTiO<,3>(001)表面，金屬更易于與TiO<,2>為終止層的表面

15、相結合，而在所研究的三種電極金屬中，Pt與BaTiO<,3>(001)表面結合的穩(wěn)定性要優(yōu)于Ag和Au。通過計算費米能級與BaTiO<,3>價帶邊的相對位置并利用實驗上BaTiO<,3>的帶隙值，得到了肖特基勢壘高度，研究表明，肖特基勢壘高度的大小與界面的構成有很大關系，金屬與TiO<,2>為終止層的BaTiO<,3>(001)表面結合時形成的肖特基勢壘比與BaO為終止層的表面結合時小一些。 在第六章中，利用密度泛函方法對重要的

16、弛豫型鐵電體-Pb(Mg<,1/3>Nb<,2/3>)O<,3>(PMN)的幾何結構和電子結構性質進行了理論計算。構造了B位原子沿[001]方向以Nb-Mg-Nb方式有序排列的PMN結構模型。計算得到的PMN的帶隙為直接帶隙，帶隙寬度為1.05eV。對態(tài)密度和電荷密度的研究表明，B位的Nb和Mg原子與O原子之間表現(xiàn)出不同的價鍵特征：Nb-O鍵有著較強的共價性，而Mg則表現(xiàn)出較強的離子性質。這種相異的B-O鍵特征可能是PMN弛豫性的重要原