热释电效应与电热效应的微观机理及其调控机制的第一性原理研究

In this study, based on density-functional theory calculations, we will develop a comprehensive first-principles route to PEE and ECE. As a benchmark, we will compare our calculations with experimental data for traditional materials such as perovskite lead titanate PbTiO3 and newly emerging materials such as the orthorhombic phase of hafnium oxide HfO2. We will investigate if these materials exhibit novel properties such as negative thermal expansion and negative longitudinal piezoelectricity, and unravel the underlying mechanisms responsible for PEE and ECE. Based on the constructed structure-property relationship, we will further perform first-principles molecular dynamics simulations to investigate the possibility of regulating the PEE and ECE responses in these materials by introducing dopants, alloys, and so on. With this study, we aim for providing a valuable theoretical tool to study PEE and ECE fully from first principles. This will also guide the search for new materials or methods to further enhance the PEE and ECE responses in applications.

热释电效应与电热效应是当前凝聚态物理学的前沿课题，同时在工程热物理领域有极为重要的应用背景。然而当前关于热释电效应与电热效应的微观机理及其调控机制的理论研究仍处于起步阶段，已成为制约探索具备更高品质因数的材料及更为有效的物性调控手段的瓶颈问题。本课题拟采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，建立完整的热释电效应与电热效应的第一性原理计算方案。研究在本领域中有广泛应用的传统材料钛酸铅及有广阔前景的新兴材料二氧化铪，考察其是否具有负热膨胀和负纵向压电效应等新奇物性，并揭示其热释电效应与电热效应的微观物理机制。在建立材料结构与物性关联的基础上，运用第一性原理分子动力学模拟方法，研究通过引入掺杂及合金等手段改变材料极化-非极化相变过程进而提高材料响应系数的微观物理机制，以此为依据给出对材料热释电与电热物性进行调控的理论方案。期望通过本项目的开展，为热释电效应与电热效应的理论研究提供有力工具。

热释电效应描述材料的电极化随温度改变而产生变化，电热效应是热释电效应的逆效应。热释电效应与电热效应分别对应热-电与电-热能量转换过程，其微观物理机制是当前凝聚态物理学的前沿课题，对基于热释电效应的红外探测和基于电热效应的电热制冷等工程热物理领域有广泛的应用前景。本项目在理论层面建立完整的基于第一性原理的计算方案，以传统材料钛酸铅及新兴材料二氧化铪为例，研究热释电效应和电热效应的微观物理机制，建立结构-物性关联并探索可能呈现的新奇物性。本项目取得的主要研究成果包括：分别构建了热释电效应和电热效应的第一性原理计算方案，并基于热力学麦克斯韦关系验证了二者等价；系统地研究了铁电相二氧化铪的热释电效应与电热效应，结果表明由热膨胀与压电效应给出的次级效应占据主导作用，并阐明了其温度导致的铁电-顺电相变由于软模的缺失而呈现非典型的位移型特征；发现了铁电相二氧化铪体现新奇的负纵向压电效应及电拉胀效应，并揭示其结构-物性关联。以上成果为热释电效应与电热效应的研究提供了重要的理论支撑。在本项目支持下，部分研究成果发表于《物理评论快报》并被选为“编辑推荐”文章，另有部分研究成果正在投稿或审稿中；培养参与研究的硕士研究生1人，博士研究生1人。