本文關(guān)鍵詞： 鈮酸鉀鈉 鈦酸鋇 碳化硼 硅化硼 壓電性　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：壓電材料是一種重要的功能材料,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換,在工業(yè)和國防領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。宏觀尺度的塊體壓電材料可應(yīng)用于水聲換能器、醫(yī)用B超探頭、超聲馬達(dá)、石油測(cè)井探測(cè)器、無損檢測(cè)以及加速傳感器等方面;微觀尺度上,微納機(jī)電系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)、國防等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。目前,進(jìn)一步開發(fā)新的塊體壓電材料體系,以及發(fā)展新型的納米壓電材料為納米器件提供相應(yīng)的動(dòng)力供給是壓電材料領(lǐng)域研究的兩個(gè)重點(diǎn)方向。在塊體壓電材料方面,長期以來,以鋯鈦酸鉛(PZT)為代表的鉛基材料由于具有優(yōu)異的壓電、機(jī)電、介電性能而備受關(guān)注�；谠擃悏弘姴牧现苽涞膫鞲衅�、換能器等器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。然而由于鉛具有毒性,在整個(gè)鉛基壓電材料的制備、使用和廢棄處理過程中都會(huì)對(duì)人體、環(huán)境造成危害。鑒于鉛基壓電材料的危害性,開發(fā)新型的無鉛壓電材料是一項(xiàng)緊迫而重要的任務(wù)。近年來發(fā)展的新型鈮酸鉀鈉基和鈦酸鋇基塊體壓電材料被認(rèn)為是非常有前景的無鉛壓電材料體系。在微觀尺度方面,傳統(tǒng)塊體壓電材料在納米尺度上壓電性能急劇下降,甚至消失,使其不能應(yīng)用于微納機(jī)電系統(tǒng)。為了給微納器件提供相應(yīng)的動(dòng)力供給,近年來人們開始探索新型低維壓電材料�；谝陨犀F(xiàn)狀,本文開展了鈮酸鉀鈉基、鈦酸鋇基塊體材料和碳化硼、硅化硼二維材料壓電特性的理論研究。這一研究可以為其實(shí)際應(yīng)用提供必要的理論依據(jù)。本論文首先研究了K_(1-x)Na_xNbO_3多晶型相界附近的壓電性能。采用第一性原理方法計(jì)算了該體系的系統(tǒng)能量、結(jié)構(gòu)參數(shù)、電子結(jié)構(gòu)、彈性模量、彈性柔順系數(shù)和壓電常數(shù)。理論研究發(fā)現(xiàn)K_(1-x)Na_xNbO_3的多晶型相界出現(xiàn)在x=0.521處,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好,兩相共存是其具有高壓電性的關(guān)鍵因素�？疾炝藟弘姵�(shù)d_(33)對(duì)晶體學(xué)取向的依賴性,表明正交K_(1-x)Na_xNbO_3(x=0.500)的d_(33)最大值接近[001]方向。通過比較不同組分從[011]到[001]方向極化旋轉(zhuǎn)的能壘,發(fā)現(xiàn)在多晶型相界處K_(1-x)Na_xNbO_3的極化旋轉(zhuǎn)變的更容易。研究了BaTi_(1-x)Zr_xO_3的多晶型相界和壓電性。運(yùn)用第一性原理方法計(jì)算了BaTi_(1-x)Zr_xO_3的總能、結(jié)構(gòu)參數(shù)、壓電常數(shù)、介電常數(shù)、彈性性質(zhì)和波恩有效電荷。結(jié)果顯示,BaTi_(1-x)Zr_xO_3的多晶型相界出現(xiàn)在x=0.077-0.088區(qū)域,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致�？偰苡�(jì)算表明在多晶型相界處,兩相共存是其具有高壓電性的關(guān)鍵因素。在多晶型相界,四方和正交BaTi_(1-x)Zr_xO_3(x=0.080)的壓電常數(shù)d_(33)具有極大值,進(jìn)一步支持了實(shí)驗(yàn)對(duì)多晶型相界的判斷。彈性性質(zhì)和波恩有效電荷的分析表明,在多晶型相界處,降低的力學(xué)穩(wěn)定性和Ti-O共價(jià)鍵的增強(qiáng)對(duì)于提高壓電性起到了重要作用。運(yùn)用第一性原理方法預(yù)測(cè)了一個(gè)蜂窩狀二維BC結(jié)構(gòu),研究了其成鍵、光學(xué)、力學(xué)和壓電性質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在(001)平面上B和C原子具有sp2雜化成鍵,[001]方向C原子具有pz-pz(σ)成鍵。晶格動(dòng)力學(xué)計(jì)算顯示該結(jié)構(gòu)是熱力學(xué)穩(wěn)定的,相對(duì)于其它構(gòu)型具有更低的形成能。采用GW近似計(jì)算了二維BC的光學(xué)性質(zhì),表明其具有一個(gè)2.40 e V的間接帶隙和1.35 e V的激子束縛能,一個(gè)明顯的Frenkel激子峰位于光學(xué)譜2.98 e V處。因此,該材料在發(fā)光領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。分析了二維BC壓電性與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)其壓電性來源于自身特有的蜂窩狀結(jié)構(gòu),壓電系數(shù)極大值呈120°夾角。計(jì)算的二維BC的壓電應(yīng)力系數(shù)e22為-2.38×10~(-10) C/m,因此其在納米機(jī)電系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用前景。運(yùn)用第一性原理方法和進(jìn)化算法預(yù)測(cè)了兩個(gè)二維蜂窩狀BSi結(jié)構(gòu),研究了它們的結(jié)構(gòu)、成鍵、光學(xué)和壓電等性質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)[001]方向B原子間弱的共價(jià)鍵在P1和C2型BSi結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面扮演著重要角色。聲子譜的計(jì)算發(fā)現(xiàn)P1和C2型BSi是熱力學(xué)穩(wěn)定的。能帶和態(tài)密度顯示P1型BSi是一個(gè)半金屬,C2型BSi是一個(gè)具有1.07 e V帶隙的半導(dǎo)體。探討了C2型BSi結(jié)構(gòu)與壓電性的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)類似于二維BC,C2型BSi的壓電性也來源于其特有的蜂窩狀結(jié)構(gòu),壓電系數(shù)e22為1.65×10~(-10) C/m。然而二維BC和C2型BSi的結(jié)構(gòu)和成鍵明顯不同,這導(dǎo)致它們?cè)趬弘姼飨虍愋苑矫娲嬖谳^大差異。因此,在制作納米壓電器件時(shí)要充分考慮它們之間的這種差別。以上結(jié)果可以為設(shè)計(jì)和研制新型無鉛壓電材料提供一定的理論參考。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O469;TB34

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