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BTO，BIT铁电体的分子动力学模拟

作　者: 孙玲玲
导　师: 马颖
学　校: 湘潭大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 分子动力学壳模型 BTO铁电体 BIT铁电体
分类号: TM221
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 铁电体的简述  9-10
  1.2 铁电材料的研究现状及进展  10-11
  1.3 简单钙钛矿结构铁电体  11-12
  1.4 铋层状钙钛矿结构铁电体  12-13
  1.5 本论文的研究目的与内容  13-15
第2章理论与计算方法  15-22
  2.1 基本原理  15
  2.2 相互作用势函数  15-17
    2.2.1 对势  16
    2.2.2 多体势  16-17
  2.3 周期性边界条件及相互作用的截断  17-18
  2.4 运动方程的求解算法  18-19
  2.5 分子动力学模拟的实际步骤  19-20
  2.6 分子动力学模拟的系综  20-22
第3章 BTO铁电体中辐射位移效应的研究  22-33
  3.1 引言  22
  3.2 壳模型  22-24
  3.3 模拟方法  24-25
  3.4 结果与讨论  25-31
    3.4.1 缺陷的产生与演化  25-29
    3.4.2 辐射位移效应对BTO铁电性能的影响  29-31
  3.5 本章小结  31-33
第4章 BIT铁电体高压相变行为的研究  33-40
  4.1 引言  33-35
  4.2 模拟方法  35-36
  4.3 结果与讨论  36-39
    4.3.1 结构的模拟及自发极化强度的计算  36-37
    4.3.2 BIT高压相变行为的研究  37-39
  4.4 本章小结  39-40
第5章总结与展望  40-42
  5.1 工作总结  40
  5.2 研究展望  40-42
参考文献  42-47
致谢  47-48
个人简历、硕士期间发表的学术论文  48

BTO，BIT铁电体的分子动力学模拟

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