《KTN及其表面界面中氧空位與摻雜離子的第一性原理研究》是依託哈爾濱工業大學，由申艷青擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：KTN及其表面界面中氧空位與摻雜離子的第一性原理研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：申艷青
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
Y.Saito在Nature 上報導 KNbO3 基壓電陶瓷所有性能幾乎都可以與PZT媲美，由此掀起無鉛壓電研究熱潮。鉭鈮酸鉀(KTN)是研究最多的 KNbO3 基材料，而且摻雜KTN在電光、電控全息、感測器、移相器、上轉換雷射等器件套用方面潛力巨大。眾所周知點缺陷對器件設計至關重要，且第一性原理預測高效省時。因此本項目擬利用雜化密度泛函進行KTN 點缺陷第一性原理研究。探尋缺陷晶格構型並計算電子結構、光學性質和壓電特性。給出氧空位形成能和能級位置，重點研究氧空位團簇。理論解釋摻雜離子對KTN 壓電性能的調控作用，並研究摻雜離子與氧空位聯合作用。探索 KTN 表面界面二維電子氣形成過程，給出超薄薄膜界面導電的微觀機制。本項目發現的新現象與新效應，將進一步擴展無鉛 KTN 的研究領域，因此具有重要科學意義，為KTN無鉛壓電器件套用提供理論基礎，具有重大實用價值。
結題摘要
鉭鈮酸鉀(KTN)是廣泛研究的 KNbO3 基晶體， 因為它在技術套用方面潛力巨大，被認為是最有前途的無鉛壓電材料。而氧空位、離子摻雜以及表面界面效應對KTN的物理性能有著重要影響，這就為器件開發提供了便利。基於此，本項目對KTN展開如下研究。（1）晶體：系統地研究了含中性與帶電氧空位KTN晶體的幾何結構和電子性質。利用局域密度近似(LDA)、廣義梯度近似(GGA)方法(PBE)、修正GGA方法(WC) 進行幾何結構最佳化。相對於廣泛套用的PBE和LDA，WC非常完美地改進了材料的幾何結構預測。帶電氧空位是最穩定的狀態，而中性氧空位只是過渡態；然後進行KTN的Li、Na、H、Cu和Zn離子的摻雜研究，發現離子摻雜對KTN的幾何結構影響很小。但是H、Cu和Zn離子明顯改變了KTN晶體的能帶帶隙。KTN:Zn的導電、透光性能很好，在透明電極方面有很大套用前景；KTN固溶體的幾何結構和光學性能對高壓比較敏感。（2）表面界面：近年來表面與小分子吸附物的相互作用成為表面研究的前沿熱點。選取常見吸附物水和CO2作為對象，研究它們對摻鈉的KTN（KNTN）表面形態、電子結構和光學性質的影響。發現水分子和CO2分子吸附確實對KNTN的物理特性產生重要影響；摻La的KNbO3薄膜和摻Y的KNbO3薄膜界面均可以產生二維電子氣。與摻Y的SrTiO3超晶格是絕緣體的結論截然不同，說明KNbO3的鐵電極化導致二維電子氣出現；此外，還通過結構搜尋軟體USPEX與第一性原理軟體VASP的聯合使用，對Li-N二元體系的高壓性能進行了深入探索，發現一系列新材料和新結構。該工作為以後Li-N體系實驗研究以及儲能材料的探索提供理論基礎。
