钛酸铅结构的第一性计算
钛酸铅结构的第一性计算[20191219224012]
摘要
高性能的铁电体材料在声光、电光等领域所具有的的优良性质，使得它近年来不断地被研究和开发，在学术研究和商业化方面都倍受青睐。而分子形式为ABO3的钛酸铅作为钙钛矿型复合氧化物，是一种非常典型的铁电体材料，而又因为它具有着高相变温度及大剩余极化等性质，因此被广泛应用于存储器、电容器、超声振荡器等制备的重要材料。本论文利用VASP软件对PbTiO3体材料进行了第一性计算，来探究钛酸铅在立方相和四方相这些不同的相态时，钛酸铅的最稳定的的晶体结构。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:铁电体PbTiO3晶体结构分析 INCAR该文件中包含了计算的关键字；
目录
一.绪论 5
1.1 引言 5
1.2 铁电性 5
1.3 自发极化 5
1.4 电滞回线 6
1.5 PbTiO3的相变 7
二.第一性计算 8
2.1 第一性计算基本概念 8
2.2 铁电体的第一性计算 8
三. 运用VASP软件进行铁电体的第一性计算 9
3.1 VASP程序简介及功能作用 9
3.2 VASP软件它的主要输入和输出文件 9
3.2.1 输入文件 9
3.2.2 输出文件 12
3.3 对PbTiO3进行计算的结果 12
3.3.1 立方相计算结果 12
3.3.2 四方相计算结果 14
3.3.3 使用SrTiO3为基底的结构计算结果 15
3.4 小结 16
四． 致谢 17
参考文献 18
一.绪论
1.1 引言
某些绝缘材料在不加外场时内部就存在自发极化，当材料的温度改变时，极化状态也会随之改变，这种材料被称为热电体；而如果极化可以在外电场的作用下被翻转，这种热电体就被称为铁电材料。铁电材料在实际生活中具有非常广泛的运用，最典型的就是用来制造可调电容器。铁电材料的介电常数是可以调节的，并且当温度在居里点附近时，它的介电常数值会变得非常大，利用这个特点，制造出来的铁电电容器非常小，与其他普通的电容器相比占据了体积上的优势。而且随着对铁电体材料越来越深入的研究与开发，如今用铁电材料制造的随机存储器也非常受欢迎。
1.2 铁电性
在某些复合氧化物中，不加外场其内部就存在自发极化，而如果加上反向电场，它的极化也会随之翻转，这种性质就叫铁电性。
1.3 自发极化
一般情况下，当在电介质材料外部加上电场时，其正、负电荷重心会发生偏移，这个过程称为极化；当外加电场强度变为0时，它的极化也会随之消失，当材料的温度不是很高时，其极化强度与外电场强度呈线性关系。然而某些电介质材料在低于一个特定的温度时其晶体结构会发生改变，使得其即使不加外电场仍会存在一定极化，这种性质就是热释电效应，这种电介质就被称为热电体。如果自发极化可以在外电场的影响下翻转，这种热电体就称为铁电体。铁电体中存在的临界温度被称为居里温度，其铁电性只在居里温度下存在，如果温度超过了这个临界点，铁电体的正、负电荷重心又会重新重合，自发极化也会消失。铁电体种类繁多，在这上千种铁电体之中，其自发极化主要是由于晶体中原子或离子所处的位置发生改变而产生的，所以这种被称为位移型铁电体。目前为止，已经查明的自发极化机制有：氢氧根离子的选择性排布；氢键中包含的质子进行有序化运动；氧八面体中离子偏离中心的运动；含其他离子集团的极性分布等。
1.4 电滞回线
图1.1 电滞曲线
由于铁电材料属于热电体的一种，所以它不仅具有热电体拥有的自发极化的特点，而且在低于居里温度的范围内，铁电材料的自发极化可以在外加电场的影响下翻转。上图中的曲线显示了在铁电材料外部加上不同的电场时，场强E与极化强度P的关系。极化强度P滞后于电场强度E称为电滞曲线，电滞曲线是铁电材料特有的。即在铁电材料的两端加上外加电场E后，极化强度P随电场强度E增加，沿曲线OAB上升，到达B点后极化强度P随电场强度E就呈线性变化(即线段BC)。这时当电场强度E下降时，极化强度P不是沿原来的路径返回，而是沿路径CBD下降。当电场强度下降至零时,极化强度P不等于零而为Pr，Pr称为剩余极化强度。而此时，要想让极化强度变为0，只有继续再加上反向电场EH,EH称为铁电材料的矫顽电场。而曲线CBDFG与曲线GHIC就构成了整个电滞曲线。电滞曲线能够比较直观的反应出矫顽电场、剩余极化强度、饱和极化强度等值的大小。
1.5 PbTiO3的相变
PbTiO3的居里温度为490℃。在居里温度以下时，PbTiO3的结构又会发生多次变换。通过对纳米级钛酸铅的变温拉曼光谱的研究，当材料的温度在200~300℃，PbTiO3的纳米线进行了正交→四方体的结构转变；当纳米线的温度上升到430℃时，PbTiO3又会暂时地发生铁电→顺电相变；随着温度的继续升高，在460~490℃时，纳米线又会恢复为四方相结构；最后当温度高于490℃时，纳米线又会从四方相结构转变为立方相结构，从而失去铁电性。
二.第一性计算
2.1 第一性计算基本概念
第一性原理，是一个计算化学或计算物理专业名词。它是建立在量子力学原理的基础上，继而通过原子内部电子与原子核之间的运动规律，从具体的要求上出发，利用某些近似处理后来求解薛定谔方程，最后得到系统的各种性质的数位研究方法，可以计算材料的电子结构、晶体的稳定结构，进而进一步得到材料的光学、电学、磁学等物理性质。
2.2 铁电体的第一性计算
本论文我们主要是以PbTiO3为例来进行第一性计算，而如今可对铁电材料进行第一性计算的电脑程序和方法有许多种。铁电体的第一性计算主要是处理两个参数，分别是波函数和势函数。目前主要有两种处理方法，一种称为赝势法，它的势函数是内层电子与原子核联合所产生的势，又称离子赝势，它的波函数是作为高能态电子的函数的；而另一种称为全电子法，它的势函数只包含原子核的势，它的波函数是由内层电子和高能态电子组成。如今，科技不断进步，高速计算机得以迅速发展，而现在研究能带结构的方法又非常先进，这都使得我们可以深入研究铁电性的起因。通过对铁电体的第一性原理计算，可以从中得出自发极化、软模位移和电子密度分布等重要结果，对阐述铁电性的微观机制具有极其重要的作用。
三. 运用VASP软件进行铁电体的第一性计算
3.1 VASP程序简介及功能作用
VASP程序是通过薛定谔方程的近似计算来确定电子结构、得到计算体系的能量的模拟软件。
使用该VASP软件可以计算材料的如下特性：
①材料光学性质的计算
②材料晶格动力学性质的计算
③材料状态方程的计算
④材料结构参数的计算
⑤材料力学性质(弹性常数和体弹性模量)
⑥材料磁学性质的计算
⑦材料电子结构的计算
⑧材料表面体系的模拟
⑨材料构型的计算
3.2 VASP软件它的主要输入和输出文件
3.2.1 输入文件
POSCAR : 该文件是讲述程序构造的，其中的内容为原子的数目类型、平
移矢量、以及各原子的坐标；
KPOINTS : 该文件中的内容是用来定义k点的，k点能够通过系统自动生成，或者自己定义
POTCAR : 该文件的内容用来定义计算体系中原子的赝势
以下我以本次论文研究中对于钛酸铅进行的第一性计算的具体例子来简单介绍一下POSCAR、INCAR和KPOINTS这三个文件中一些主要程序的内容：
INCAR文件：
SYSTEM = Strained PbTiO3 注释计算的体系
NWRITE = 2 : verbosity 2表示短时运算
ICHARG = 2 : read charge from CHGCAR 2表示 从原子的电荷密度的重叠构造初始电荷密度
ISTART = 0 开始新的计算
PREC = accurate : accuracy 该条程序的内容表示计算结果的精确程度，accuracy表示计算的结果为精确
ISMEAR = 1 : Methfessel-Paxton smearing 决定设置占位fnk的方式。缺省值：1
摘要
高性能的铁电体材料在声光、电光等领域所具有的的优良性质，使得它近年来不断地被研究和开发，在学术研究和商业化方面都倍受青睐。而分子形式为ABO3的钛酸铅作为钙钛矿型复合氧化物，是一种非常典型的铁电体材料，而又因为它具有着高相变温度及大剩余极化等性质，因此被广泛应用于存储器、电容器、超声振荡器等制备的重要材料。本论文利用VASP软件对PbTiO3体材料进行了第一性计算，来探究钛酸铅在立方相和四方相这些不同的相态时，钛酸铅的最稳定的的晶体结构。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:铁电体PbTiO3晶体结构分析 INCAR该文件中包含了计算的关键字；
目录
一.绪论 5
1.1 引言 5
1.2 铁电性 5
1.3 自发极化 5
1.4 电滞回线 6
1.5 PbTiO3的相变 7
二.第一性计算 8
2.1 第一性计算基本概念 8
2.2 铁电体的第一性计算 8
三. 运用VASP软件进行铁电体的第一性计算 9
3.1 VASP程序简介及功能作用 9
3.2 VASP软件它的主要输入和输出文件 9
3.2.1 输入文件 9
3.2.2 输出文件 12
3.3 对PbTiO3进行计算的结果 12
3.3.1 立方相计算结果 12
3.3.2 四方相计算结果 14
3.3.3 使用SrTiO3为基底的结构计算结果 15
3.4 小结 16
四． 致谢 17
参考文献 18
一.绪论
1.1 引言
某些绝缘材料在不加外场时内部就存在自发极化，当材料的温度改变时，极化状态也会随之改变，这种材料被称为热电体；而如果极化可以在外电场的作用下被翻转，这种热电体就被称为铁电材料。铁电材料在实际生活中具有非常广泛的运用，最典型的就是用来制造可调电容器。铁电材料的介电常数是可以调节的，并且当温度在居里点附近时，它的介电常数值会变得非常大，利用这个特点，制造出来的铁电电容器非常小，与其他普通的电容器相比占据了体积上的优势。而且随着对铁电体材料越来越深入的研究与开发，如今用铁电材料制造的随机存储器也非常受欢迎。
1.2 铁电性
在某些复合氧化物中，不加外场其内部就存在自发极化，而如果加上反向电场，它的极化也会随之翻转，这种性质就叫铁电性。
1.3 自发极化
一般情况下，当在电介质材料外部加上电场时，其正、负电荷重心会发生偏移，这个过程称为极化；当外加电场强度变为0时，它的极化也会随之消失，当材料的温度不是很高时，其极化强度与外电场强度呈线性关系。然而某些电介质材料在低于一个特定的温度时其晶体结构会发生改变，使得其即使不加外电场仍会存在一定极化，这种性质就是热释电效应，这种电介质就被称为热电体。如果自发极化可以在外电场的影响下翻转，这种热电体就称为铁电体。铁电体中存在的临界温度被称为居里温度，其铁电性只在居里温度下存在，如果温度超过了这个临界点，铁电体的正、负电荷重心又会重新重合，自发极化也会消失。铁电体种类繁多，在这上千种铁电体之中，其自发极化主要是由于晶体中原子或离子所处的位置发生改变而产生的，所以这种被称为位移型铁电体。目前为止，已经查明的自发极化机制有：氢氧根离子的选择性排布；氢键中包含的质子进行有序化运动；氧八面体中离子偏离中心的运动；含其他离子集团的极性分布等。
1.4 电滞回线
图1.1 电滞曲线
由于铁电材料属于热电体的一种，所以它不仅具有热电体拥有的自发极化的特点，而且在低于居里温度的范围内，铁电材料的自发极化可以在外加电场的影响下翻转。上图中的曲线显示了在铁电材料外部加上不同的电场时，场强E与极化强度P的关系。极化强度P滞后于电场强度E称为电滞曲线，电滞曲线是铁电材料特有的。即在铁电材料的两端加上外加电场E后，极化强度P随电场强度E增加，沿曲线OAB上升，到达B点后极化强度P随电场强度E就呈线性变化(即线段BC)。这时当电场强度E下降时，极化强度P不是沿原来的路径返回，而是沿路径CBD下降。当电场强度下降至零时,极化强度P不等于零而为Pr，Pr称为剩余极化强度。而此时，要想让极化强度变为0，只有继续再加上反向电场EH,EH称为铁电材料的矫顽电场。而曲线CBDFG与曲线GHIC就构成了整个电滞曲线。电滞曲线能够比较直观的反应出矫顽电场、剩余极化强度、饱和极化强度等值的大小。
1.5 PbTiO3的相变
PbTiO3的居里温度为490℃。在居里温度以下时，PbTiO3的结构又会发生多次变换。通过对纳米级钛酸铅的变温拉曼光谱的研究，当材料的温度在200~300℃，PbTiO3的纳米线进行了正交→四方体的结构转变；当纳米线的温度上升到430℃时，PbTiO3又会暂时地发生铁电→顺电相变；随着温度的继续升高，在460~490℃时，纳米线又会恢复为四方相结构；最后当温度高于490℃时，纳米线又会从四方相结构转变为立方相结构，从而失去铁电性。
二.第一性计算
2.1 第一性计算基本概念
第一性原理，是一个计算化学或计算物理专业名词。它是建立在量子力学原理的基础上，继而通过原子内部电子与原子核之间的运动规律，从具体的要求上出发，利用某些近似处理后来求解薛定谔方程，最后得到系统的各种性质的数位研究方法，可以计算材料的电子结构、晶体的稳定结构，进而进一步得到材料的光学、电学、磁学等物理性质。
2.2 铁电体的第一性计算
本论文我们主要是以PbTiO3为例来进行第一性计算，而如今可对铁电材料进行第一性计算的电脑程序和方法有许多种。铁电体的第一性计算主要是处理两个参数，分别是波函数和势函数。目前主要有两种处理方法，一种称为赝势法，它的势函数是内层电子与原子核联合所产生的势，又称离子赝势，它的波函数是作为高能态电子的函数的；而另一种称为全电子法，它的势函数只包含原子核的势，它的波函数是由内层电子和高能态电子组成。如今，科技不断进步，高速计算机得以迅速发展，而现在研究能带结构的方法又非常先进，这都使得我们可以深入研究铁电性的起因。通过对铁电体的第一性原理计算，可以从中得出自发极化、软模位移和电子密度分布等重要结果，对阐述铁电性的微观机制具有极其重要的作用。
三. 运用VASP软件进行铁电体的第一性计算
3.1 VASP程序简介及功能作用
VASP程序是通过薛定谔方程的近似计算来确定电子结构、得到计算体系的能量的模拟软件。
使用该VASP软件可以计算材料的如下特性：
①材料光学性质的计算
②材料晶格动力学性质的计算
③材料状态方程的计算
④材料结构参数的计算
⑤材料力学性质(弹性常数和体弹性模量)
⑥材料磁学性质的计算
⑦材料电子结构的计算
⑧材料表面体系的模拟
⑨材料构型的计算
3.2 VASP软件它的主要输入和输出文件
3.2.1 输入文件
POSCAR : 该文件是讲述程序构造的，其中的内容为原子的数目类型、平
移矢量、以及各原子的坐标；
KPOINTS : 该文件中的内容是用来定义k点的，k点能够通过系统自动生成，或者自己定义
POTCAR : 该文件的内容用来定义计算体系中原子的赝势
以下我以本次论文研究中对于钛酸铅进行的第一性计算的具体例子来简单介绍一下POSCAR、INCAR和KPOINTS这三个文件中一些主要程序的内容：
INCAR文件：
SYSTEM = Strained PbTiO3 注释计算的体系
NWRITE = 2 : verbosity 2表示短时运算
ICHARG = 2 : read charge from CHGCAR 2表示 从原子的电荷密度的重叠构造初始电荷密度
ISTART = 0 开始新的计算
PREC = accurate : accuracy 该条程序的内容表示计算结果的精确程度，accuracy表示计算的结果为精确
ISMEAR = 1 : Methfessel-Paxton smearing 决定设置占位fnk的方式。缺省值：1
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/gdxx/433.html
