论文部分内容阅读
铁电超晶格薄膜结构材料因其具有比单体材料更多的优越性能而受到越来越多的关注,其压电、光学以及介电特性都有优越的表现。通过改变超晶格的化学组分、成分比例、应变大小、静电场的作用以及结构中的极性不连续类型等因素,可以获得许多益于实际应用的特性。本文基于第一性原理,研究了含Pb Ti O3、La Al O3和KNb O3三种组分的多层堆叠超晶格材料,即(PT)n/(LA)n超晶格和(PT)n/(KN)n超晶格,并建立了含两种极性不连续的类型的堆叠结构,即PT/LA/PT/KN结构(Ⅱ-Ⅳ/Ⅰ-Ⅴ/Ⅱ-Ⅳ/Ⅲ-Ⅲ型),考察每种超晶格结构结构在外力应变条件下极化特性和压电行为的变化趋势。由能量与晶格参数的关系曲线,确定n=1时超晶格的平衡晶格参数。通过改变晶格参数的方式,对体系施加-1.5%~+1.5%的应变,计算其极化特性和压电行为。在不同应变条件下,体系的极化强度随着应变的增加,极化强度有所增强,压电系数ezz提高,得到PT/LA结构ezz=-3.343 C/m2;PT/KN结构ezz=+6.823C/m2。层数n是影响(PT)n/(LA)n和(PT)n/(KN)n超晶格性能的一个重要因素。随着n值增加,体系的极化强度值和压电系数ezz降低,带隙变小。因极性不连续界面而产生的内电场作用也随n值的增加而逐渐减弱。当n值大小一定时,随着体系的应变情况由压应变逐渐转变到拉应变,(PT)n/(LA)n和(PT)n/(KN)n超晶格的极化强度分别向(001)的负方向和正方向变大,但极化特性较n=1的体系弱。最后考察了含两种极性不连续界面的PLPK结构,电子结构的计算结果表明,系统在-1.5%~+1.5%应变条件下扔保持绝缘性,但带隙较小。在对该结构施加不同的应变量后,其极化强度值相比于单纯的(PT)n/(LA)n或(PT)n/(KN)n超晶格要小2~6倍,其(001)方向的压电响应系数也有很大降低,计算得ezz=-0.91147C/m2。通过对其极性不连续的分析表明,这主要是由于Ti O2/La O、Al O2/Pb O层之间和Ti O2/KO、Nb O2/Pb O层之间所产生的内电场有相互抵消的作用。