基于分子动力学模拟的钙钛矿材料太赫兹频段动力学性质研究

Perovskite materials often have spontaneous electric polarization (multiferroics also have magnetic dipoles), which can be reversed by an external electric field. They are extensively studied because of their important properties, such as piezoelectricity and large dielectric constants, which make them key materials for actuators, sensors. In this work, via ab initio computation and effective-Hamiltonian-based molecular dynamics simulation, we will investigate dynamical properties of several prototypical perovskites and the control of their optical properties in the GHz-THz frequency range. To achieve such goals, we will (1) continue to develop first-principles-based effective Hamiltonian and computer programs for molecular dynamics simulation, which will be used in the investigation the coupled dynamics of various dynamical variables in ferroelectric and multiferroic oxides, in particular their dielectric responses in the GHz-THz frequency range and the control of the dielectric response using external fields; (2) use ab initio software packages (such as ABINIT) to investigate the time evolution of dynamical variables in typical ferroelectric materials, especially the time evolution of the polarization vector.

钙钛矿结构材料常具有可以被外电场翻转的自发极化（多铁性材料还同时存在磁偶极子）。这类材料由于其压电效应和较大的介电常数等诸多重要性质而被广泛研究，而这些重要性能使得其成为制造换能器、传感器等器件的关键材料。本研究将通过第一性原理计算和基于有效哈密顿量理论的分子动力学数值模拟，理解若干典型钙钛矿结构铁电材料在GHz-THz频率区间上的动态性能和对其进行光学性能调控的可行性。为了实现上述目标，我们将: （1) 继续发展基于第一性原理的有效哈密顿量方法，编制分子动力学程序，应用于铁电和多铁性复杂氧化物中, 研究多动力学变量耦合情况下材料的动力学性质，特别是材料在GHz-THz频率范围上的介电响应和外场对介电响应的调控；(2) 利用基于密度泛函理论进行第一性原理计算的软件包（例如ABINIT)研究典型铁电材料中动力学变量随时间的演化，特别是其中极化矢量随时间的演化。

本项目以钙钛矿材料为研究焦点，利用有效哈密顿量方法、分子动力学模拟、第一性原理计算和理论分析为工具，对若干种钙钛矿材料，特别是典型钙钛矿驰豫铁电体的动态和静态性能进行了深入研究。除了获得数值模拟结果外，还构建了驰豫铁电体介电响应的统计模型，获得了解析公式，拟合并解释了实验上观察到的各种具有驰豫特性的介电响应。此外，还发展了有效哈密顿量方法，将电荷与偶极子的作用严格的加入其中，用于微量掺杂情况下的钙钛矿材料研究。..在本项目的资助下，我们在四个相关的方向上推进了对钙钛矿材料的研究，包括：(1)发展并使用了分子动力学模拟，对典型驰豫铁电体Ba(Zr,Ti)O3和Pb(Mg,Nb)O3进行了长时间分子动力学模拟，获得了它们在低频亚太赫兹区间的介电响应及其随温度的变化，对其中的重要物理现象进行了深入分析；获得其电卡系数随外场的变化，预测其中可能存在较大的电卡系数；研究了BaZrO3/BaTiO3超晶格在这一频率区间的介电响应，通过与块状无序Ba(Zr,Ti)O3对比，分析了驰豫特性与离子有序度的关系，探讨了驰豫铁电体的起源；(2) 发展了驰豫铁电体介电响应的解析公式，成功用于拟合大量驰豫材料体系的介电响应，并与实验研究组进行合作发表了一系列研究论文；（3）进一步发展有效哈密顿量方法，将电荷作用加入，用于微量掺杂情况下复杂钙钛矿材料体系的研究；(4)利用有效哈密顿量方法及第一性原理计算，对SnTiO3材料进行了模拟、计算研究，并提出了具有奇异性能的新结构；同时，协助实验室工作，进行理论模拟、开发了球差校正电子显微镜图像处理程序，协助在Phys. Rev. Lett., Science等杂志发表了重要研究论文。..这些研究工作所获得的模拟结果和解析公式深化了对铁电材料，特别是驰豫铁电体的理解。研究工作中进一步发展的有效哈密顿量方法在未来将得到更多的应用。此外，在研究中获得的宝贵经验（例如对有效哈密顿量系数进行的计算）为下一课题中使用机器学习方法研究钙钛矿材料打下了重要基础。