四方相BaTiO3缺陷性质的第一性原理研究

缺陷普遍存在于铁电材料中， 对材料的宏观力学，电学和光学性能产生很大的影响。因此， 铁电材料中的缺陷问题已引起广泛的关注并成为研究热点。 但是，目前对于铁电材料的缺陷效应研究还非常缺乏，且微观机制尚存争议。本文基于第一性原理从头算方法，对钙钛矿结构铁电体 BaTiO3 的几种基本缺陷及其性质进行了系统的理论研究，并取得了以下成果： 1. 研究了四方相 BaTiO3 的晶格常数、体弹模量、能带结构。 通过总能收敛测试，建立 3×3×3 的超原胞作为缺陷的计算模型。 引入各种本征点缺陷如空位、弗伦凯尔缺陷、肖特基缺陷。 计算了缺陷的形成能，找到了形成能与原子化学势，带电缺陷形成能与电子化学势的变化规律，并获得了与实验一致的结果。 计算结果表明缺陷形成能随原子化学势剧烈变化， 在还原环境下氧空位很容易形成， 而在富含氧的氧化环境下， 氧空位的形成能最高， 因此可以通过在氧化环境下的退 火来抑制氧空位的形成，从而防止铁电材料的疲劳失效。 2. 在原子尺度对印记的偶极子机制进行了初步分析。 模拟了含有一定浓度 的Ba-O双空位缺陷体系。 系统地研究了 3×3×3 的超原胞中相距第一、 二、三、四近邻不同取向的Ba-O双空位缺陷形成能。 找出了最为稳定的Ba-O双空位缺陷体系。通过一种新的方法并结合现代极化理论计算和分析了含Ba-O双空位缺陷体系的自发极化，同时与经典的分子动力学方法计算得到的结果进行了比较。