超薄铁电超晶格中应变-界面-铁电性能耦合行为研究

超薄铁电超晶格在铁电材料领域掀起了研究热潮，通过改变超晶格的晶格不匹配应变和组分来控制铁电超晶格的铁电性质，已经成为设计新型铁电材料的关键技术。本申请项目以铁电超晶格中力电耦合行为为突破口，结合第一性原理计算方法，从原子和电子结构上重点研究：铁电超晶格薄膜PbTiO3/SrTiO3中应变效应和界面效应与铁电性能之间的关系；构画超晶格的应变相图，晶格不匹配应变-铁电性质之间的关系曲线，应变铁电相变造成的极化反转行为和压电效应，超晶格在界面效应作用下组分对结构和性能的影响，揭示铁电超晶格在不同应变和界面条件下铁电性能变化规律。目标是在超薄铁电超晶格的铁电行为研究等方面有所突破，为深入理解铁电材料在微纳米尺度下铁电行为、设计新型铁电超晶格等方面提供科学依据。

本项目通过第一性原理计算研究了BaTiO3/SrTiO3、PbTiO3/SrTiO3、PbTiO3/BaTiO3以及KaTiO3/PbTiO3铁电超晶格的应变、相变、极化、介电以及压电行为。分析了不同组分条件下BaTiO3/SrTiO3、PbTiO3/SrTiO3和PbTiO3/BaTiO3、KaTiO3/PbTiO3超晶格极化性能，并分析了超晶格内部极化静电模型，对超晶格内部极化机理进行了深入分析；研究发现，由于界面极性不连续，KaTiO3/PbTiO3超晶格的局域层极化不一致，这和其他类超晶格的极化行为完全不同；计算了PbTiO3/SrTiO3超晶格在不同应变条件下结构，建立应变相图。分析了不同应变条件下极性不连续界铁电超晶格KaTiO3/PbTiO3的电子结构、原子结构以及极化、介电以及压电行为，发现铁电超晶格KaTiO3/PbTiO3的极化是不可变的，压电系数温度依赖性小。