钛酸铅（110）和（001）表面结构和稳定性的理论研究

摘要

采用密度泛函平面波赝势的方法对立方相钛酸铅表面周期体系进行了理论研究。计算中选取两个非极化的(001)表面和五个极化的(110)表面作为研究对象，借助量子力学软件CASTEP实现对钛酸铅体相和各种表面的原子、电子结构和热力学稳定性的系统研究，从而揭示这一材料的结构、性质及二者间的关系。 计算结果表明：立方相钛酸铅晶体中的Ti-O和Pb-O离子对都存在部分共价性质，主要表现为Ti3d、Pb6s和Pb6p分别与O2p成键。(001)非极化表面的计算结果表明，其原子和电子结构与体相相比变化不大，伴随较小的弛豫效应和电荷重新分布。相反，(110)极化面的两种化学计量终结表面的原子和电子结构均发生了非常明显的变化；PbTiO终结表面出现了不规则的表面态填充现象，并且具有金属特性；O2终结表面上最外层两个氧原子之间相互靠近，形成了过氧键。相比之下，三种非计量极化表面的性质与体相较为相似，保持了绝缘性质。电荷重新分布计算结果证实，极化表面的宏观偶极矩可以通过改变表面电子结构和改变表面组成两种方式得到取消。然而，究竟采取哪种机理来实现极化补偿取决于能量。热力学稳定性图显示，两个化学计量表面并不稳定，它们具有较大的表面能；而三个非计量终结面可以在特定组成的区域内稳定存在，在一定条件下甚至要比非极化表面更加稳定。目前的研究结果表明:钛酸铅(110)极化表面表现出与钛酸锶和钛酸钡(110)极化表面明显不同的性质，很可能与Pb-O之间的部分共价性质有关，并最终导致PbTiO终结表面稳定性区域的消失。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1课题背景

1.2表面极化性质

1.2.1表面的分类

1.2.2极化补偿的静电条件

1.2.3 ABO3型钙钛矿表面

1.2.4极化补偿的各种表面过程

1.3表面热力学稳定性

1.4钛酸铅表面密度泛函理论研究现状

1.5课题主要研究内容

第2章理论基础

2.1密度泛函理论基础

2.1.1 Hohenber-Kohn定理

2.1.2 Kohn-Sham方程

2.1.3交换-相关泛函

2.2赝势方法

2.2.1模守恒赝势

2.2.2超软赝势

2.3表面热力学稳定性

2.3.1裂解能

2.3.2弛豫能

2.3.3表面能

2.3.4表面自由能

第3章钛酸铅体相计算

3.1计算模型

3.2计算参数选择

3.2.1截断能量

3.2.2 k点取样

3.2.3赝势

3.2.4泛函

3.3几何优化和性质分析

3.4本章小结

第4章(001)表面的原子和电子结构

4.1计算参数和模型

4.1.1计算参数选择

4.1.2计算模型

4.2原子弛豫效应

4.3 Mulliken布居分析

4.4能带和态密度

4.5本章小结

第5章(110)化学计量表面的原子和电子结构

5.1计算参数和模型

5.1.1计算参数选择

5.1.2计算模型

5.2原子弛豫效应

5.3 Mulliken布居分析

5.4能带和态密度

5.5本章小结

第6章(110)非化学计量表面的原子和电子结构

6.1计算参数和模型

6.1.1计算参数选择

6.1.2计算模型

6.2原子弛豫效应

6.3 Mulliken布居分析

6.4能带和态密度

6.5本章小结

第7章钛酸铅各种终结表面的稳定性

7.1钛酸铅(001)表面

7.2钛酸铅(110)表面

7.3钛酸铅(001)和(110)表面稳定性比较

7.4本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文