应变驱动磁电多铁性BiFeO3准同型相界的第一性原理研究

通过制备异质外延铁酸铋(BiFeO3，BFO)薄膜，获得更好的铁电、压电性能,是当前国内外在磁电多铁性功能材料领域的研究热点之一，但是人们对其性能增强机制的认识仍存在不足。最新实验结果在BFO薄膜中发现了单斜相与菱方相共存的准同型相界(Morphotropic Phase Boundary, MPB)。虽然实验并未解析出单斜相的晶体结构，但是大大拓宽了应变增强BFO铁电性能的研究思路。本项目采用密度泛函理论，结合晶格动力学与群因子分析，从解析BFO单斜相晶体结构入手，以应变驱动的、有单斜相参与的相变过程为重点，围绕BFO在MPB附近的晶体结构、电子结构和极化方向、自发极化强度等性能的演化规律，深入探索应变增强BFO铁电性能的作用机理。该研究工作将为运用应力、应变手段设计和制造性能更为优异的磁电多铁性BFO薄膜提供理论依据和指导。

采用第一性原理的理论计算方法，利用软模驱动预测相变结构的方法，从动力学非稳定的P4mm结构开始，推导等静压应力诱导下BFO的相变路径, 以及结构和性能的演化规律，为以后无铅材料中的MPB研究提供基础和思路，也为BFO在器件应用上提供一定的理论依据，拓展研究思路。. 在等静压应力作用下铁电性四方相(P4mm) BiFeO3晶体在声子振动模式E的软化驱动下转变成为铁电性的单斜Bm相，临界相变压力为13.3 GPa。计算自发极化率、极化角度、单胞体积和波尔磁子等结构参数随等静压应力的变化情况，结果显示该铁电相变具有二阶相变的特性，并伴随着a-b平面内的铁电畸变的发生。在外延应变作用下铁电性的四方相BiFeO3晶体同样在软模E的驱动下转变成为铁电性的单斜Bm相，与等静压应力作用效果相同，其临界应变为-9.7%。对于深入认知无铅材料中的MPB（准同型相界，Morphotropic Phase Boundary）现象此研究结果将提供重要的信息。. 本项目把软模驱动预测相变的方法也应用到其他材料中，取得了一定的成果。