二维SbAs单层的铁电自发极化强度计算模拟开题报告

 2021-11-27 10:11

1. 研究目的与意义(文献综述)

具有高介电常数的超薄介电/铁电体是现代电子工业的基础,其中铁电材料(fms)更是因其自发极化的特性在非易失性存储器件中扮演了基本构成元素的角色,这令其在过去的几十年中获得了研究者们的大量关注 [1-2] 。传统的氧化物铁电材料(如batio3,pbtio3, srbi2ta2o9,和 bi4ti3o12)[5-6]因其厚度问题而面临严峻挑战[3-4],当这类材料的薄片厚度被持续性地降低到纳米级时,其电极化性就会削减,甚至可能会消失[7],这使得传统铁电材料在体积上无法有显著的突破。这种尺度效应经常被称为本征尺度或铁电体中的退极化场效应[8]。这种现象背后的物理机制至今仍有争议,因为可能同时有多种效应对这种强烈的退极化现象施加了影响。另外,传统三维材料的居里温度也会随着厚度的降低而降低。随着铁电材料技术越来越多地融入电子工程中,这一尺度效应的问题越来越亟待解决,找寻具有稳定电极化和高居里温度的二维铁电材料也随之变得尤其重要。

自石墨烯的突破性成果以来,不同种类的二维纳米薄片极大地涌现出来。这些纳米薄片在结构密度以及电子学上的性质十分地丰富[17-18]。虽然类石墨烯的二维纳米薄片有很多重要的进展,但二维材料在铁电领域的对应探索仍是一个挑战,它们在新型二维电子学中应该还存在极大的潜力有待进一步开发[6]。目前大多数已被合成的二维纳米薄片都因其相对较窄的带隙而具有导体或半导体的特征,这就直接将它们排除在了铁电材料的可用范围之外。

理论上讲,二维纳米薄层的层内方向和层外方向都可以用来开发铁电性。2014年,1t相mos2单层被理论上预计会存在具有层外(垂直)方向极化的本征二维铁电性[13]。2015年di sante等人又预测了二维ab型二元单层(如alsb)上可存在层外铁电性,其中a和b代指iv族或iii–v族元素[14-15]。二维铁电性的首次实验是在2015年用cuinp2s6实现,belianinov等人在块状cuinp2s6上观察到了室温层外铁电性[16]。

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2. 研究的基本内容与方案

基本内容:

初步了解第一性原理计算和密度泛函理论(dft),熟悉和掌握vasp软件包的使用。设计单层γ-sbas模型,计算总能量,并优化获得其最稳定的结构,进一步计算并探究其电子结构。使用phonopy代码分析声子谱展现出的结构性质。采用贝里相位方法(berry phasemethod)计算获得铁电自发极化强度。利用密度泛函理论(dft)计算中获得的原子间作用力和总能量,配合climbing image nudged elastic band method(ci-neb)来计算能量变化,得到铁电相变能垒。检视铁电相变路径将获得的相关参数与旧有材料进行对比,以期对γ-sbas的铁电性获得更全面的评估和更深入的理解。

目标:

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,明确研究内容和计划安排;确定方案,完成开题报告。

第4-5周:学习第一性原理方法及vasp软件包使用。

第6-7周:构建γ-sbas模型,优化原子结构,计算电子结构。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]n. nuraje and k. su, perovskiteferroelectric nanomaterials, nanoscale, 2013, 5, 8752.

[2]j. f. scott, applicationsof modern ferroelectrics, science, 2007, 315, 954.

[3]m. stengel, d. vanderbilt,and n. a. spaldin, enhancement of ferroelectricity at metal-oxide interfaces, nat.mater, 2009, 8, 392.

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