基于鈦酸鋇晶體薄膜波導(dǎo)的研究

孫翔宇 孫德貴 長(zhǎng)春理工大學(xué)

介電調(diào)諧材料是其介電常數(shù)隨材料的外加電場(chǎng)而變化，介電常數(shù)和外加電場(chǎng)的非線性變化是介質(zhì)調(diào)諧，利用非線性介質(zhì)效應(yīng)，可設(shè)計(jì)可調(diào)電容器的電壓控制。鈦酸鋇（BaTiO3）的結(jié)構(gòu)是鈣鈦礦晶體，Ti4+在氧八面體中心，O2-占據(jù)中心，Ba2+位于垂直角的頂角。因此BaTiO3結(jié)構(gòu)可看作是O2-和Ba2+的緊密堆積的立方體，Ti4+填充在八面體空間的四分之一和立方體的中心。本文對(duì)基于鈦酸鋇晶體薄膜波導(dǎo)進(jìn)行了研究。

1 鈦酸鋇晶體的核殼模型及計(jì)算

1.1 鈦酸鋇晶體的核殼模型

鈦酸鋇的分子動(dòng)力學(xué)模擬被用來模擬潛在的核殼模型。核殼模型是建立在有序超晶胞的第一原理的基礎(chǔ)上擬合出半經(jīng)驗(yàn)勢(shì)函數(shù)的物理模型。在核殼模型中把原子看作帶電核和殼兩部分。用較大的帶正電的核來描述原子核和內(nèi)層電子，如圖1所示。

圖1 核殼模型

在核殼模型中不同離子核殼之間存在較長(zhǎng)的庫(kù)侖力，對(duì)具有N個(gè)離子周期邊界條件的系統(tǒng)，庫(kù)侖效應(yīng)為1:

1.2 計(jì)算步驟

1.2.1 計(jì)算樣品的準(zhǔn)備。為模擬鈦酸鋇嵌段材料，模擬面積尺寸為2.4nm×2.4nm×2.4nm，總計(jì)6×6×6個(gè)晶體和2160個(gè)顆粒。由于對(duì)于鈦酸鋇材料相變行為的模擬，溫升的過程是梯級(jí)溫度范圍為5k～500k，覆蓋了整個(gè)鈦酸鋇鐵電材料的鐵電因此初始化三角形相位點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的位置，減少模擬過程中的弛豫時(shí)間，便于更快地達(dá)到熱力學(xué)平衡。具體設(shè)置如圖2。對(duì)于鈦酸鋇膜，a-b方向在膜表面“無限長(zhǎng)”，并且周期邊界條件直接使用，但在膜厚方向c納米尺寸。

圖2 鈦酸鋇薄膜邊界條件設(shè)定

1.2.2 初始速度的設(shè)定。利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器對(duì)系統(tǒng)中的粒子速度進(jìn)行初始化，生成服從麥克斯韋分布的速度分布，然后根據(jù)統(tǒng)計(jì)力學(xué)定義的溫度:m=KBT，根據(jù)初始的設(shè)定溫度來標(biāo)定，之后再約束總線動(dòng)量為零。

1.2.3 鈦酸鋇體系的計(jì)算過程。鈦酸鋇系統(tǒng)的計(jì)算在設(shè)定了系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)和速度后，系統(tǒng)不一定是最低能量狀態(tài)，系統(tǒng)需要放松在不擴(kuò)散條約制度一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡狀態(tài)。

2 分析

采用活性二氧化鈦納米管陣列作為反應(yīng)物模板，在低溫條件下制備了一維立方相BaTiO3納米管陣列。通過分析BaTiO3納米管陣列的介電性能，為后續(xù)處理樣品熱處理缺陷及制備四相BaTiO3納米管陣列薄膜提供參考。

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