BTO，BIT铁电体的分子动力学模拟

论文摘要

铁电材料是一种十分重要的信息功能材料,在铁电随机存储等诸多领域具有广泛的应用前景。近年来,铁电钙钛矿结构材料在非挥发性铁电薄膜存储器,微电子机械系统以及可调微波器件等领域具有许多重要应用,引起了人们广泛的研究兴趣。本论文采用基于壳模型的分子动力学方法,分别研究了简单钙钛矿结构铁电体BaTiO3（BTO）中的辐射位移效应以及铋层状钙钛矿结构铁电体Bi4Ti3O12（BIT）的高压相变行为。（1）基于壳模型的分子动力学方法研究了BaTiO3 （BTO）铁电体中的辐射位移效应。采用O原子作为初级击出原子,模拟了当初级击出原子能量为1 keV时不同入射方向下体系内缺陷的产生和演化。模拟结果表明,当入射方向为[001]时,体系内产生的缺陷数最多。在所有缺陷中,以O缺陷的含量为最高,占总缺陷数的80%以上。同时,这些缺陷的产生并不显著改变体系的自发极化强度,对体系的极化翻转过程也基本没有影响。但是,绝不能因此而低估辐射位移效应的影响,这是由于在外场的作用下,辐射位移效应所产生的缺陷的迁移距离大大增加。（2）在壳模型的基础上,通过分子动力学方法模拟了压强对Bi4Ti3O12 （BIT）铁电体相变行为的影响。首先我们基于文献中提取的势参数,计算了室温时BIT单晶的自发极化强度,与实验中得到的结果并不吻合,分析原因可能在于势参数的不完整性。为了使势参数更为完整,同时提高模拟的准确性,在已知势参数的基础上我们增加了Ti-Ti短程相互作用势。自发极化强度的计算值与实验值较好的吻合。为了进一步测定采用模型与实验数据是否一致,我们还计算了铁电体BIT的晶胞参数值,计算结果与实验值吻合的较好。接下来我们模拟了不同压强下BIT单晶自发极化强度与晶胞参数的演化行为。结果发现在从-2 GPa到24 GPa范围内,BIT经历了两次相变。第一次发生在6 GPa处,为铁电-铁电相变;第二次发生在20 GPa处,为铁电-顺电相变,晶格对称性发生转变。这种对称性的改变类似于在环境压力条件下温度导致BIT铁电体对称性的改变,因而我们的模拟结果为研究压强引起BIT的相变行为提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 铁电体的简述
• 1.2 铁电材料的研究现状及进展
• 1.3 简单钙钛矿结构铁电体
• 1.4 铋层状钙钛矿结构铁电体
• 1.5 本论文的研究目的与内容
• 第2章 理论与计算方法
• 2.1 基本原理
• 2.2 相互作用势函数
• 2.2.1 对势
• 2.2.2 多体势
• 2.3 周期性边界条件及相互作用的截断
• 2.4 运动方程的求解算法
• 2.5 分子动力学模拟的实际步骤
• 2.6 分子动力学模拟的系综
• 第3章 BTO铁电体中辐射位移效应的研究
• 3.1 引言
• 3.2 壳模型
• 3.3 模拟方法
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 缺陷的产生与演化
• 3.4.2 辐射位移效应对BTO铁电性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 BIT铁电体高压相变行为的研究
• 4.1 引言
• 4.2 模拟方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 结构的模拟及自发极化强度的计算
• 4.3.2 BIT高压相变行为的研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 工作总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、硕士期间发表的学术论文