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[交流]
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(jì)算在這里面整理一下,但畢竟是組內(nèi)沒(méi)有相關(guān)背景,加上自己也只會(huì)最簡(jiǎn)單的部分,如果有什么紕漏或者不對(duì)的內(nèi)容也歡迎大家指出。(寫畢業(yè)論文的時(shí)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(qiáng)度,并且該電極化強(qiáng)度能夠被外電場(chǎng)下翻轉(zhuǎn)的材料。鐵電性很多概念個(gè)人認(rèn)為可以類比于鐵磁性。在外電場(chǎng)下呈現(xiàn)滯后回線的特征(是因?yàn)榇嬖陔姰犺担,具有相變特征,在沒(méi)有外電場(chǎng)的情況下能夠保持自發(fā)電極化強(qiáng)度,等等。因?yàn)榫w學(xué)理論中的nuemann principle,具有壓電性質(zhì)的晶體其點(diǎn)群對(duì)稱性一定不包括反演中心(還要去掉O點(diǎn)群也就是432點(diǎn)群),具有熱釋電性質(zhì)的晶體其點(diǎn)群對(duì)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(qiáng)度能夠被外電場(chǎng)調(diào)控,熱釋電(pyroelectric)指存在自發(fā)電極化強(qiáng)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(qiáng)度在外電場(chǎng)下翻轉(zhuǎn)的特征。 若覺(jué)得有點(diǎn)亂的話,對(duì)于鐵電材料,記住存在鐵電極化即一個(gè)自發(fā)極化,存在一個(gè)有鐵電性到?jīng)]有鐵電性的相變溫度,因?yàn)榇嬖诒容^嚴(yán)格的對(duì)稱性要求使得其材料性質(zhì)比較豐富即可,自發(fā)極化強(qiáng)度Ps與居里溫度Tc是比較重要的兩個(gè)鐵電材料參數(shù)。(其實(shí)矯頑場(chǎng)Ec也是) 實(shí)驗(yàn)上對(duì)塊體鐵電體系應(yīng)用方式有很多,鐵電體系存在極化強(qiáng)度相反的兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),且這兩個(gè)狀態(tài)能夠被外電場(chǎng)翻轉(zhuǎn),因此鐵電材料能夠被用于存儲(chǔ)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(jī)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(gè)人觀點(diǎn):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(jì)磁性體系,就要構(gòu)建磁性中心,比如過(guò)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(lái)源錯(cuò)綜復(fù)雜,BaTiO3之中的共價(jià)相互作用,BiFeO3中的6s2電子對(duì),有機(jī)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(shí)不是特別明白鐵電材料的微觀機(jī)理該怎么討論。 第二部分 二維鐵電材料 實(shí)驗(yàn)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(gè)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(guò)室溫,會(huì)具有更好的應(yīng)用前景,但depolarization field是個(gè)問(wèn)題(當(dāng)然我不是很懂原理,體系變薄了極化就會(huì)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(qiáng)度計(jì)算啊,相變溫度模擬啊,應(yīng)變與外電場(chǎng)調(diào)控啊,如果能講出材料體系應(yīng)用則會(huì)更好一點(diǎn)。 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(chǎng)的變化以及相變?cè)。個(gè)人認(rèn)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(fù)號(hào),如果體系能量-極化強(qiáng)度曲線是一個(gè)拋物線,那么體系這個(gè)時(shí)候是順電相(系數(shù)均為正),否則體系會(huì)出現(xiàn)雙勢(shì)阱曲線。一般加上一項(xiàng)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(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)論或者第一性原理計(jì)算得到,本人未實(shí)現(xiàn)相關(guān)計(jì)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(dòng)力學(xué)理論,即軟模理論。一般材料的高對(duì)稱結(jié)構(gòu)聲子譜沒(méi)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(gè)振動(dòng)模式就能夠運(yùn)動(dòng)到鐵電相結(jié)構(gòu),這個(gè)可以被用來(lái)從高對(duì)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(duì)于現(xiàn)代極化理論的原始文獻(xiàn)真的不太好看懂,個(gè)人推薦nicola a. spaldin(2012), a beginners guide to the modern theory of polarization,journal of solid state chemistry 進(jìn)行入門。不過(guò)入門好入,這里面有些問(wèn)題真的要想明白還是有點(diǎn)難度的(大家可以提一提看法) 1. 極化強(qiáng)度的差值,而不是其絕對(duì)值本身,才具有物理意義,那么高對(duì)稱參考相的選取是個(gè)必要的過(guò)程,對(duì)于有序-無(wú)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(gè)人感覺(jué)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(jì)算鐵電極化時(shí),如果你的結(jié)構(gòu)不具有g(shù)ap會(huì)直接報(bào)錯(cuò)。從計(jì)算技術(shù)角度來(lái)講,由于考慮所有電子的極化強(qiáng)度的貢獻(xiàn)涉及到了對(duì)所有電子占據(jù)態(tài)的求和,如果出現(xiàn)分?jǐn)?shù)占據(jù),特別是鐵電相和參考相電子狀態(tài)不同,就會(huì)有問(wèn)題,但是鐵電材料不能為金屬有沒(méi)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(rèn)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(qiáng),不僅能夠屏蔽離子間庫(kù)侖相互作用使得不發(fā)生鐵電相變,并且屏蔽外電場(chǎng)使得即使有極化強(qiáng)度也不能翻轉(zhuǎn),然而這兩個(gè)說(shuō)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(huì)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(guò)可能需要低維來(lái)削弱電子屏蔽或者特殊的一些鐵電相變?cè),個(gè)人理解。 關(guān)鍵文獻(xiàn)(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(gè)東西和我們算極化強(qiáng)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(jué)上是體系狀態(tài)沿著一個(gè)參數(shù)空間絕熱運(yùn)動(dòng)一圈后發(fā)生的相位變化。極化強(qiáng)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(gè)問(wèn)題了。 vasp計(jì)算極化強(qiáng)度還是很容易的,設(shè)置參數(shù)LCALPOL = .true.以及DIPOL參數(shù),對(duì)于從參考相到鐵電相的一系列結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算即可。輸出可以到OUTCAR最后面去找,遵循一個(gè)公式是delta P = P1 - P0 = P1ele + P1ion - P0ele -P0ion。軟件給的是電偶極矩eA,手動(dòng)乘以電子電量,除以晶胞體積就可以得到極化強(qiáng)度的單位。個(gè)人感覺(jué)鐵電材料研究重點(diǎn)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(huì)麻煩一點(diǎn),對(duì)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(gè)一般的雜志發(fā)一發(fā)就行了啊?梢灶A(yù)見(jiàn)填各種格式要求的模板。。。) 樓主只是一個(gè)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(qǐng)諒解! [ Last edited by hstommy on 2019-11-23 at 23:30 ] |
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做過(guò)一點(diǎn)鐵電,稍微發(fā)表一下看法。鐵電性里面最重要的一個(gè)東西就是對(duì)稱破缺,不過(guò)對(duì)稱破缺是形成鐵電材料的一個(gè)必要條件,實(shí)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(qiáng)的量子漲落會(huì)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(gè)能隙,有一定的gap,比如你提到的金屬鐵電體,空間反演對(duì)稱打破了,但是由于自由電子的存在電場(chǎng)無(wú)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(gè)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(gè)多余的相位,那個(gè)相位就是幾何相位。通常幾何相位和對(duì)稱破缺有一定關(guān)系,在拓?fù)渫鉅柊虢饘賅Te2.中空間反演對(duì)稱被打破,會(huì)對(duì)Berry 曲率造成一定影響,會(huì)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(chǎng)增大會(huì)抑制鐵電體,以鈦酸鋇為例,隨著晶粒半徑減小c/a也會(huì)減小,鐵電性被退極化場(chǎng)壓制掉了,不過(guò)這個(gè)規(guī)律只在納米和微米尺度適用,主要是由于推倒過(guò)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(gè)文章修正了之前的一些理論。第一個(gè)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(rèn)了單層材料確實(shí)存在鐵電性。單層CuCrSP這個(gè)體系跟人合作搞了一點(diǎn),材料合成出來(lái)了,未表征,并不清楚單層是否有鐵電性,以前搞過(guò)一點(diǎn)鐵電,在大佬面前發(fā)表一點(diǎn)愚見(jiàn)。 發(fā)自小木蟲Android客戶端 |
木蟲 (著名寫手)
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這倆材料都合成出來(lái)過(guò),單層CuCrPS理論上計(jì)算確實(shí)應(yīng)該既有鐵電性也有鐵磁性,面內(nèi)是鐵磁,面間是反鐵磁。鐵電性根據(jù)我的理解應(yīng)該有兩部分貢獻(xiàn),一部分是Cu離子位移的本征貢獻(xiàn)的,還有一部分非本征的鐵電性是由于Cr的強(qiáng)自旋軌道耦合貢獻(xiàn),A位是無(wú)序的,所以自旋和charge也有一定耦合,這個(gè)體系理論上講應(yīng)該會(huì)呈現(xiàn)強(qiáng)的非線性電磁耦合。 發(fā)自小木蟲Android客戶端 |
木蟲 (著名寫手)
木蟲 (著名寫手)
至尊木蟲 (職業(yè)作家)
送紅花一朵 |
感謝樓主的總結(jié),我也是剛進(jìn)入這個(gè)方向,有一些問(wèn)題 計(jì)算鐵電金屬的話,能不能分享下如何處理未填滿的能帶? 我現(xiàn)在具體計(jì)算壓電系數(shù)。極化強(qiáng)度的插值才有意義,但是計(jì)算得到的偶極矩會(huì)包含晶格矢量任意整數(shù)倍的極化量子,而應(yīng)變前后晶格矢量會(huì)變化,極化量子也會(huì)變化,使得線性擬合得到的壓電系數(shù)有問(wèn)題。不知道有沒(méi)有解決這個(gè)問(wèn)題的方法? 謝謝! |
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