摘要
铁电压电陶瓷作为一种重要的功能材料在工业生产与日常生活中有着广泛的应用，主要用于传感器、谐振器、换能器等电子元件。目前，锆钛酸铅、铌镁酸铅等含铅陶瓷占据了市场的主要份额，但含有大量铅元素的陶瓷在使用后会对人体健康和自然环境造成巨大的危害。因此，除了限制含铅陶瓷材料的使用，探索对环境以及人体健康友好的无铅压电陶瓷是很有必要的。无铅BaTiO3 (BT)陶瓷具备成本低廉、化学性质稳定以及制备工艺简单等优点备受关注。然而，钛酸钡因居里温度低和介电常数小等因素，使得BT陶瓷的商业应用受到影响。幸运的是，研究人员发现掺杂可以调控BT陶瓷的光学性质和电学性质，这为改善无铅压电陶瓷的性能提供了有效方法。 本文借助Materials Studio软件完成BT体系的模型构建，通过密度泛函理论，运用VASP对Ca原子掺杂BT体系（BCT）、Zr原子掺杂BT体系（BZT）和Ca、Zr共同掺杂BT体系（BCZT）的光学和电学性质进行了探究，还研究了不同比例的掺杂对BT体系压电性质的影响。此外，构建了纯2D BT体系和掺杂2D BT体系，并研究其光学和电学性质。 第一性原理研究结果表明：BCT体系由于Ca原子半径小于Ba原子半径而导致体积减小，BZT体系由于Zr原子半径大于Ti半径而体积增大，而BCZT体系由四方结构转变为立方结构，晶格参数与实验结果一致。Ca掺杂、Zr掺杂和Ca/Zr共掺杂使BT体系的带隙依次增大。此外，HSE06泛函计算的带隙值与实验报道一致，而GGA泛函和LDA泛函计算的带隙值明显低于实验值。掺杂可以使BT体系的铁电性能提升，其中BCZT体系的铁电极化值较BT体系提高了150%。光学性能、德拜温度和弹性性能的研究表明，BCZT体系的折射率降低，热导率降低，各向异性指数增强。此外，Ca、Zr共掺杂使BT体系的压电应变张量d33提高了约125%，当Ca的含量为0.15和Zr的含量为0.1时掺杂BT体系是原来的4倍多。 对纯2D BT体系和掺杂2D BT体系的研究结果表明：结构优化后，2D BCT、2D BZT和2D BCZT体系的晶格常数增大，这是由于c轴没有原子间相互作用力和掺杂原子形成的缺陷结构。采用GGA泛函计算2D BT体系的带隙值为1.732 eV，而2D BCT、2D BZT和2D BCZT的带隙值分别为1.752 eV、2.158 eV和2.246 eV，掺杂形成缺陷结构导致能带间隙增大，价带顶主要由O原子的p轨道提供，而导带底主要由Ti原子的d轨道提供。在光学方面，四个体系都是光学各向同性，在力学方面，掺杂可以使2D BT体系的塑性形变能力增强。2D BT体系的压电系数e11的计算值为0.34 × 10-10 C/m，2D BCT体系的压电系数减小，2D BZT的压电系数增大，而2D BCZT体系的压电系数e11的值高达1.32 × 10-10 C/m，相比于2D BT体系增大了3.8倍。 研究结果表明，通过掺杂的策略可以调控BT体系的光学性质、铁电性质和压电性质，对实验研究BT体系的光学及电学性质具有一定的参考价值和指导意义。
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