基于鈦酸鋇晶體薄膜波導的研究

孫翔宇 孫德貴 長春理工大學

介電調諧材料是其介電常數隨材料的外加電場而變化，介電常數和外加電場的非線性變化是介質調諧，利用非線性介質效應，可設計可調電容器的電壓控制。鈦酸鋇（BaTiO3）的結構是鈣鈦礦晶體，Ti4+在氧八面體中心，O2-占據中心，Ba2+位于垂直角的頂角。因此BaTiO3結構可看作是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。本文對基于鈦酸鋇晶體薄膜波導進行了研究。

1 鈦酸鋇晶體的核殼模型及計算

1.1 鈦酸鋇晶體的核殼模型

鈦酸鋇的分子動力學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上擬合出半經驗勢函數的物理模型。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的庫侖力，對具有N個離子周期邊界條件的系統，庫侖效應為1:

1.2 計算步驟

1.2.1 計算樣品的準備。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6×6×6個晶體和2160個顆粒。由于對于鈦酸鋇材料相變行為的模擬，溫升的過程是梯級溫度范圍為5k～500k，覆蓋了整個鈦酸鋇鐵電材料的鐵電因此初始化三角形相位點陣結構的位置，減少模擬過程中的弛豫時間，便于更快地達到熱力學平衡。具體設置如圖2。對于鈦酸鋇膜，a-b方向在膜表面“無限長”，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定

1.2.2 初始速度的設定。利用隨機數發生器對系統中的粒子速度進行初始化，生成服從麥克斯韋分布的速度分布，然后根據統計力學定義的溫度:m=KBT，根據初始的設定溫度來標定，之后再約束總線動量為零。

1.2.3 鈦酸鋇體系的計算過程。鈦酸鋇系統的計算在設定了系統的初始結構和速度后，系統不一定是最低能量狀態，系統需要放松在不擴散條約制度一段時間內達到平衡狀態。

2 分析

采用活性二氧化鈦納米管陣列作為反應物模板，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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