钙钛矿材料极化表面的结构与稳定化机理

采用第一性原理方法对所选钙钛矿材料不同晶相的振动性质、热动力学性质及力学参数进行计算，预测各种晶格结构的稳定性；在此基础上构建相应的(110)和(111)极化表面，研究表面的原子结构、电荷重分布、能带结构、态密度以及表面电子态，并揭示晶格结构变化、A-O和B-O离子对成键作用变化以及表面取向变化对极化表面的原子、电子结构及稳定性的影响规律。研究外来原子/簇(Ag、Pt，Au，Rh等)的吸附对表面极性的补偿作用。最终解决四方面问题。第一是预测极化表面可能的稳定化机理问题；第二是解释沿极化取向裂解或生长时能量占优的表面构型问题；第三是揭示不同终结表面的相对稳定性和各表面构型的稳定性区域；第四是预测原子自旋极化的变化对极化表面原子、电子结构及稳定性的影响。

钙钛矿材料是一种能在许多方面有重要应用的关键材料，特别是极化表面，为电子材料、存储材料提供了新的选择。极化表面的几何结构、电子结构和表面的热力学稳定性、表面相图的理论模型与构建成为目前需要研究的关键理论问题。在本研究内，我们选择了ATiO3 (A = Ba, Pb)、SrAO3 (A = V, Ru, Hf, Zr)、LaAlO3、AZrO3 (A = Pb, Ca)等钙钛矿材料体系做为研究目标，构建本体及相应的(110)和(001)极化表面模型，并采用第一性原理方法计算了它们的结构、电荷重分布、能带结构、态密度以及表面电子态，并揭示晶格结构变化、A-O和B-O离子对成键作用变化以及表面取向变化对极化表面的原子、电子结构及稳定性的影响规律，从而揭示了四类关键性科学问题，包括极化表面可能的稳定化机理、沿极化取向裂解或生长时能量占优的表面构型、不同终结表面的相对稳定性和各表面构型的稳定性区域、原子自旋极化的变化对极化表面原子、电子结构及稳定性的影响。研究结果表明，不同的终结面可以通过表面计算比改变、电子结构改变、表面电荷重新分布、电子态的填充等方法来完成极化补偿，从而消除了宏观偶极矩，从而让极化表面得以稳定，这也就解释了为什么极化表面能面实验中获得。另外，我们也构建了预测相应极化表面稳定性相图的理论分析方法，为今后的此类研究提供了一个直接的数学物理模型。