物理大讲堂——名家系列讲座（六十二）

报告题目：新型二元氧化物铁电材料理论研究

报告人：刘仕，西湖大学物理系研究员

报告时间：2023年4月24日（星期一）10:00

报告地点：吉林大学中心校区唐敖庆楼B521报告厅

报告人简介

　　刘仕，2009年本科毕业于中国科学技术大学，2015年博士毕业于美国宾夕法尼亚大学，博士后工作于华盛顿卡内基研究所和美国陆军研究所，现为西湖大学理学院物理系特聘研究员、博士生导师。先后入选浙江省和国家海外高层次人才引进计划青年项目。长期从事计算物理和计算材料学方向的研究工作，综合运用第一性原理密度泛函理论计算和大尺度分子动力学，研究功能氧化物和量子材料的构性关系。自2013年以来，共参与发表文章60余篇。目前主持国家科技部重点研发青年科学家项目、国家自然科学基金委面上项目、青年科学基金项目等多个项目。

报告摘要

　　铁电材料由于其多场响应特性在电子器件方面具有极大的应用前景。然而，由于与当前硅基半导体工艺不兼容以及在薄膜器件中的尺寸效应等问题，传统钙钛矿型铁电材料的发展受到了很大的限制。近年来，多种新型二元氧化物铁电材料的发现为解决这些问题提供了新的思路。我们综合运用第一性原理计算、大尺度分子动力学和机器学习，对铁电HfO2和镁掺杂的ZnO的构性关系开展了系列研究。通过第一性原理计算，我们发现铪基铁电具有独特的热释电效应，而其热释电效应与其负压电效应密切相关。进一步研究表明HfO2具有新颖的“电致拉胀效应”：在电场作用下，铪基铁电的应变在三维空间同时变大或同时变小。利用基于第一性原理的压电材料数据库，我们发现上百种压电材料均具有电致拉胀效应。近期，我们还发现带电氧空位能够显著影响HfO2同一晶相不同构型间的稳定性，并促进非铁电相向铁电相转变。带电氧空位像化学反应中的催化剂一样，“激活”了二氧化铪的多个相变路径，让多个非铁电相能够比较容易的转变为铁电相，同时也使铁电相能够转变为非铁电相。我们最终建立一个基于氧空位可变电荷态的简单模型，比较好地解释了许多困扰铪基铁电的关键问题如薄膜制备中的多相共存、电极效应、器件的唤醒效应、流性印记效应、惯性翻转等。所建立的统一模型能够为优化铪基铁电性能提供理论支撑，也为发展新的铁电材料设计与调控理论提供思路。 针对镁掺杂氧化锌，第一性原理计算结果表明镁掺杂并没有使氧化锌变得更“软”。该掺杂体系铁电性主要起源于能量较低的六方相MgO以及晶格驰豫。

举办单位：

吉林大学物理学院

吉林大学计算方法与软件国际中心