基于钛酸钡晶体薄膜波导的研究

孙翔宇 孙德贵 长春理工大学

介电调谐材料是其介电常数随材料的外加电场而变化，介电常数和外加电场的非线性变化是介质调谐，利用非线性介质效应，可设计可调电容器的电压控制。钛酸钡（BaTiO3）的结构是钙钛矿晶体，Ti4+在氧八面体中心，O2-占据中心，Ba2+位于垂直角的顶角。因此BaTiO3结构可看作是O2-和Ba2+的紧密堆积的立方体，Ti4+填充在八面体空间的四分之一和立方体的中心。本文对基于钛酸钡晶体薄膜波导进行了研究。

1 钛酸钡晶体的核壳模型及计算

1.1 钛酸钡晶体的核壳模型

钛酸钡的分子动力学模拟被用来模拟潜在的核壳模型。核壳模型是建立在有序超晶胞的第一原理的基础上拟合出半经验势函数的物理模型。在核壳模型中把原子看作带电核和壳两部分。用较大的带正电的核来描述原子核和内层电子，如图1所示。

图1 核壳模型

在核壳模型中不同离子核壳之间存在较长的库仑力，对具有N个离子周期边界条件的系统，库仑效应为1:

1.2 计算步骤

1.2.1 计算样品的准备。为模拟钛酸钡嵌段材料，模拟面积尺寸为2.4nm×2.4nm×2.4nm，总计6×6×6个晶体和2160个颗粒。由于对于钛酸钡材料相变行为的模拟，温升的过程是梯级温度范围为5k～500k，覆盖了整个钛酸钡铁电材料的铁电因此初始化三角形相位点阵结构的位置，减少模拟过程中的弛豫时间，便于更快地达到热力学平衡。具体设置如图2。对于钛酸钡膜，a-b方向在膜表面“无限长”，并且周期边界条件直接使用，但在膜厚方向c纳米尺寸。

图2 钛酸钡薄膜边界条件设定

1.2.2 初始速度的设定。利用随机数发生器对系统中的粒子速度进行初始化，生成服从麦克斯韦分布的速度分布，然后根据统计力学定义的温度:m=KBT，根据初始的设定温度来标定，之后再约束总线动量为零。

1.2.3 钛酸钡体系的计算过程。钛酸钡系统的计算在设定了系统的初始结构和速度后，系统不一定是最低能量状态，系统需要放松在不扩散条约制度一段时间内达到平衡状态。

2 分析

采用活性二氧化钛纳米管阵列作为反应物模板，在低温条件下制备了一维立方相BaTiO3纳米管阵列。通过分析BaTiO3纳米管阵列的介电性能，为后续处理样品热处理缺陷及制备四相BaTiO3纳米管阵列薄膜提供参考。

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