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鐵電材料與鐵電性質(zhì)
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本人在此想把鐵電材料模擬，特別是二維鐵電材料的計算在這里面整理一下，但畢竟是組內(nèi)沒有相關(guān)背景，加上自己也只會最簡單的部分，如果有什么紕漏或者不對的內(nèi)容也歡迎大家指出。（寫畢業(yè)論文的時候可以參考一下） 第一部分 鐵電性與鐵電材料 鐵電材料是一類具有自發(fā)電極化強度，并且該電極化強度能夠被外電場下翻轉(zhuǎn)的材料。鐵電性很多概念個人認為可以類比于鐵磁性。在外電場下呈現(xiàn)滯后回線的特征（是因為存在電疇璧），具有相變特征，在沒有外電場的情況下能夠保持自發(fā)電極化強度，等等。因為晶體學(xué)理論中的nuemann principle，具有壓電性質(zhì)的晶體其點群對稱性一定不包括反演中心（還要去掉O點群也就是432點群），具有熱釋電性質(zhì)的晶體其點群對稱性只能含有至多一根旋轉(zhuǎn)軸（含有特殊的極性軸方向）。因此鐵電材料一定具有壓電性質(zhì)與熱釋電性質(zhì)，加上鐵電材料相變前后明顯的變化，使得鐵電材料具有良好的應(yīng)用前景。 壓電（piezoelectric）指極化強度能夠被外電場調(diào)控，熱釋電（pyroelectric）指存在自發(fā)電極化強度，且隨著溫度變化而發(fā)生變化。鐵電材料相比起熱釋電材料，還有極化強度在外電場下翻轉(zhuǎn)的特征。 若覺得有點亂的話，對于鐵電材料，記住存在鐵電極化即一個自發(fā)極化，存在一個有鐵電性到?jīng)]有鐵電性的相變溫度，因為存在比較嚴格的對稱性要求使得其材料性質(zhì)比較豐富即可，自發(fā)極化強度Ps與居里溫度Tc是比較重要的兩個鐵電材料參數(shù)。（其實矯頑場Ec也是） 實驗上對塊體鐵電體系應(yīng)用方式有很多，鐵電體系存在極化強度相反的兩個穩(wěn)定的狀態(tài)，且這兩個狀態(tài)能夠被外電場翻轉(zhuǎn)，因此鐵電材料能夠被用于存儲領(lǐng)域。鐵電材料也可以被用于壓電領(lǐng)域或熱釋電領(lǐng)域，例如能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，將機械能，溫度變化轉(zhuǎn)化為電能。鐵電材料穩(wěn)定的極化有助于材料內(nèi)電子/空穴分離并且在表面產(chǎn)生一層電荷，適用于光催化，光伏等領(lǐng)域。還有什么其他領(lǐng)域應(yīng)用歡迎指出。 （個人觀點：鐵電材料在于想辦法產(chǎn)生電偶極矩，類比于我們要設(shè)計磁性體系，就要構(gòu)建磁性中心，比如過渡金屬d或f電子，自由基，電荷轉(zhuǎn)移等。鐵電材料電偶極矩的來源錯綜復(fù)雜，BaTiO3之中的共價相互作用，BiFeO3中的6s2電子對，有機體系的氫鍵，弱相互作用，甚至是多鐵材料TbMnO3的非共線自旋等）另外電偶極矩之間相當(dāng)于要規(guī)整排列，這又和鐵磁體系電子交換相互作用不同，我其實不是特別明白鐵電材料的微觀機理該怎么討論。 第二部分 二維鐵電材料 實驗上體系包括In2Se3，CuInP2S6（2016 Nater Comm），CuCrP2S6 (2019 Nanoscale)，SnTe (2016 Science)，SnS (2019 Nano Lett)，Bi2O2Se (2019 Nano Lett)，MoTe2 (2019 Nater Comm) 以及WTe2（最后一個比較微妙，涉及到鐵電金屬的概念）。比起二維（反）鐵磁體系CrI3，Cr2Ge2Te6，Mn/Fe/NiPS3等，二維鐵電材料體系多為半導(dǎo)體，相變溫度超過室溫，會具有更好的應(yīng)用前景，但depolarization field是個問題（當(dāng)然我不是很懂原理，體系變薄了極化就會減弱的原因） 理論模擬我參考了很多曾曉成老師的工作，二維鐵電材料模擬包括極化強度計算啊，相變溫度模擬啊，應(yīng)變與外電場調(diào)控啊，如果能講出材料體系應(yīng)用則會更好一點。 可參考綜述 two-dimensional materials with piezoelectric and ferroelectric functionalities two-dimensional ferroics and multiferroics: platforms for new physics and applications progress and prospects in low-dimensional multiferroic materials the rise of two-dimensional van der waals ferroelectrics等。 第三部分 理論方法 a.f. devonshire (1954) theory of ferroelectrics, advances in physics 中涉及了鐵電材料的熱力學(xué)理論，包括鐵電性質(zhì)隨外場的變化以及相變原理。個人認為重要的模型有： G=aP^2+bP^4+cP^6+... 溫度影響了系數(shù)abc的正負號，如果體系能量-極化強度曲線是一個拋物線，那么體系這個時候是順電相（系數(shù)均為正），否則體系會出現(xiàn)雙勢阱曲線。一般加上一項最近鄰相互作用j（Pi-Pj）^2，可被用于鐵電材料體系的相變溫度模擬（蒙特卡洛模擬），參數(shù)通過實驗結(jié)論或者第一性原理計算得到，本人未實現(xiàn)相關(guān)計算。 w. cochran (1960) crystal stability and the theory of ferroelectricity, advances in physics 中涉及了鐵電材料的晶格動力學(xué)理論，即軟模理論。一般材料的高對稱結(jié)構(gòu)聲子譜沒有虛頻，但鐵電材料體系額外的短程相互作用使得特定光學(xué)聲子模式出現(xiàn)模軟化甚至是虛頻，沿著這個振動模式就能夠運動到鐵電相結(jié)構(gòu)，這個可以被用來從高對稱相結(jié)構(gòu)出發(fā)，搜索鐵電相結(jié)構(gòu)。 r. d. king-smith，david vanderbilt以及raffaele resta對于現(xiàn)代極化理論的原始文獻真的不太好看懂，個人推薦nicola a. spaldin（2012）， a beginners guide to the modern theory of polarization，journal of solid state chemistry 進行入門。不過入門好入，這里面有些問題真的要想明白還是有點難度的（大家可以提一提看法） 1. 極化強度的差值，而不是其絕對值本身，才具有物理意義，那么高對稱參考相的選取是個必要的過程，對于有序-無序型鐵電體系，特別是東南大學(xué)熊仁根老師做的那一系列體系，參考相選擇個人感覺就需要相當(dāng)?shù)募记闪耍ǹ赡苁欠磋F電為參考相吧。。） Zeng有一篇 Rational design of one-dimensional hybrid organic–inorganic perovskites with room temperatureferroelectricity and strong piezoelectricity （Mater. Horiz., 2019） 可供參考。 2. 鐵電材料一定不是金屬性的原因是什么？vasp軟件在計算鐵電極化時，如果你的結(jié)構(gòu)不具有g(shù)ap會直接報錯。從計算技術(shù)角度來講，由于考慮所有電子的極化強度的貢獻涉及到了對所有電子占據(jù)態(tài)的求和，如果出現(xiàn)分數(shù)占據(jù)，特別是鐵電相和參考相電子狀態(tài)不同，就會有問題，但是鐵電材料不能為金屬有沒有更本質(zhì)的原因。二維體系中hyperferroelectric metal又是什么奇怪的玩意兒？ 看了一些相關(guān)文章，原先人們認為鐵電性與金屬性不能兼容的原因是金屬中的電子屏蔽作用強，不僅能夠屏蔽離子間庫侖相互作用使得不發(fā)生鐵電相變，并且屏蔽外電場使得即使有極化強度也不能翻轉(zhuǎn)，然而這兩個說法都被找出反例了，前者與2013年發(fā)現(xiàn)塊體LiOsO3是金屬但也會有結(jié)構(gòu)相變，后者在少數(shù)幾層與塊體的T' 相WTe2中觀察到了可翻轉(zhuǎn)的極化性質(zhì)，因此鐵電性金屬是可能的，只不過可能需要低維來削弱電子屏蔽或者特殊的一些鐵電相變原理，個人理解。 關(guān)鍵文獻(關(guān)于WTe2的)： Ferroelectric switching of a two-dimensional metal 2018 Nature A room-temperature ferroelectric semimetal 2019 Science Advances 3. berry phase這個東西和我們算極化強度本身是否有更加深刻的聯(lián)系？主要是berry phase這概念我不熟悉（本人不是物理背景的），感覺上是體系狀態(tài)沿著一個參數(shù)空間絕熱運動一圈后發(fā)生的相位變化。極化強度和相位是怎么聯(lián)系上的？ 也嘗試看了 Ab initio simulation of the properties of ferroelectric materials Raffaele Resta 2003 ， 不深究這個問題了。 vasp計算極化強度還是很容易的，設(shè)置參數(shù)LCALPOL = .true.以及DIPOL參數(shù)，對于從參考相到鐵電相的一系列結(jié)構(gòu)進行計算即可。輸出可以到OUTCAR最后面去找，遵循一個公式是delta P = P1 - P0 = P1ele + P1ion - P0ele -P0ion。軟件給的是電偶極矩eA，手動乘以電子電量，除以晶胞體積就可以得到極化強度的單位。個人感覺鐵電材料研究重點就在于這條極化變化的路徑了。 當(dāng)然要算鐵電金屬的話還會麻煩一點，對于未填滿的那條帶有額外的處理方式。 第四部分 我自己的探究 （投稿投得心累，挑一個一般的雜志發(fā)一發(fā)就行了啊�？梢灶A(yù)見填各種格式要求的模板。。。） 樓主只是一個先前做熱電模擬，在某組坑了好幾年，現(xiàn)在想趕緊轉(zhuǎn)碩畢業(yè)的弱雞。為了讓自己的努力不是那么的微不足道，我愿意分享一些我知道的內(nèi)容，僅為拋磚引玉，多有謬誤，還請諒解！ [ Last edited by hstommy on 2019-11-23 at 23:30 ] |
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9樓2019-11-02 08:08:57
2樓2019-11-01 16:50:12
4樓2019-11-01 18:22:56
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做過一點鐵電，稍微發(fā)表一下看法。鐵電性里面最重要的一個東西就是對稱破缺，不過對稱破缺是形成鐵電材料的一個必要條件，實現(xiàn)順電到鐵電的相變繼需要克服熱脹落也克服量子漲落，強的量子漲落會拉平能磊形成量子順電體。當(dāng)然形成鐵電材料也需要一個能隙，有一定的gap,比如你提到的金屬鐵電體，空間反演對稱打破了，但是由于自由電子的存在電場無法是離子極化發(fā)生反轉(zhuǎn)，所以金屬鐵電體并不能稱為鐵電材料。Berry 相位，Berry 曲率是一個很深邃的東西，我也并不能完全講清楚，課本上引入Berry 相位主要是由于近絕熱近似能量不守恒，能量不守恒薛定諤方程不適用，如果需要滿足薛定諤方程需要一個多余的相位，那個相位就是幾何相位。通常幾何相位和對稱破缺有一定關(guān)系，在拓撲外爾半金屬WTe2.中空間反演對稱被打破，會對Berry 曲率造成一定影響，會產(chǎn)生非線性量子霍爾效應(yīng)，關(guān)于Berry相位可以看牛謙老師的文章，本人也不是太懂。根據(jù)傳統(tǒng)的理論，材料尺度減小，退極化場增大會抑制鐵電體，以鈦酸鋇為例，隨著晶粒半徑減小c/a也會減小，鐵電性被退極化場壓制掉了，不過這個規(guī)律只在納米和微米尺度適用，主要是由于推倒過程中用到太多近似。18年北大李新征老師那篇prl為二維材料鐵電性的存在奠定了基礎(chǔ)，那個文章修正了之前的一些理論。第一個單層二維鐵電材料應(yīng)該是16年清華大學(xué)物理系那篇science用stm確認了單層材料確實存在鐵電性。單層CuCrSP這個體系跟人合作搞了一點，材料合成出來了，未表征，并不清楚單層是否有鐵電性，以前搞過一點鐵電，在大佬面前發(fā)表一點愚見。 發(fā)自小木蟲Android客戶端 |
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5樓2019-11-01 18:48:42
簡單回復(fù)
2019-11-01 21:24
回復(fù)
wzh3146樓
2019-11-01 20:08
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