新型壓電鐵電材料電子性質(zhì)

本書內(nèi)容涵蓋二維材料的壓電響應(yīng)、拓撲絕緣體的相變和鈣鈦礦的鐵電性。全書共分為8章。第1章介紹了二維材料的發(fā)展歷程，講述了二維壓電材料的發(fā)現(xiàn)和興起，探討了二維材料中壓電鐵電性對拓撲相變的調(diào)控以及鈣鈦礦中鐵電性的起源；第2章簡單介紹了理論計算的相關(guān)知識和計算軟件；第3～5章主要內(nèi)容為幾種不同二維材料壓電響應(yīng)的具體計算；第6章主要介紹通過應(yīng)變、壓電響應(yīng)等方法調(diào)控二維拓撲絕緣體材料拓撲相變；第7章重點探討了有機無機雜化鈣鈦礦中鐵電性的起源問題；第8章對壓電鐵電性在材料中的發(fā)展做總結(jié)與展望。
本書側(cè)重于二維材料壓電鐵電性質(zhì)的學習和理論計算，編寫具有較強的專業(yè)針對性，旨在培養(yǎng)讀者解決二維材料理論計算問題的能力。本書可以作為物理和材料領(lǐng)域從事理論計算的技術(shù)人員的參考書，也可以作為高等學校高年級本科生和研究生的教學參考書。

（1）內(nèi)容全面：包含二維材料的壓電響應(yīng)、拓撲絕緣體的相變以及鈣鈦礦的鐵電性等內(nèi)容。 （2）專業(yè)針對性強：著重于二維材料的壓電鐵電特性的學習和理論計算。 （3）實用價值高：可作為物理和材料領(lǐng)域技術(shù)人員的參考讀本，也可用于高校和科研院所的教學與科研。

隨著科技的飛速發(fā)展，材料科學在許多領(lǐng)域中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其中，壓電鐵電材料作為一種獨特的功能材料，因其具有壓電效應(yīng)和鐵電效應(yīng)，被廣泛應(yīng)用于傳感、驅(qū)動、能源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的壓電鐵電材料在某些性能方面已無法滿足現(xiàn)代科技的需求，因此，新型壓電鐵電材料的研究成為了當前研究的熱點和難點。
新型壓電鐵電材料不僅需要具備優(yōu)異的壓電和鐵電性能，還需要在穩(wěn)定性、可靠性、環(huán)保性等方面達到新的標準。近年來，科研人員通過不斷探索和嘗試，成功研發(fā)出了一系列新型壓電鐵電材料，這些新材料在性能和應(yīng)用上都展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。
新型壓電鐵電材料的電子性質(zhì)是其重要特性之一。電子性質(zhì)不僅影響材料的導(dǎo)電性能、載流子行為等基礎(chǔ)物理特性，還直接關(guān)聯(lián)到材料的光電、熱電、磁電等多功能效應(yīng)。理解并掌握這些電子性質(zhì)有助于深入挖掘新型壓電鐵電材料的應(yīng)用潛力，進一步拓寬其應(yīng)用范圍。
然而，新型壓電鐵電材料的電子性質(zhì)研究面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，這些材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和多物理場耦合特性使得對電子行為的描述變得極為復(fù)雜。其次，現(xiàn)有研究手段和理論模型在描述新材料電子性質(zhì)時仍存在局限性，使得精確預(yù)測和調(diào)控材料的電子行為變得困難。此外，不同新型壓電鐵電材料的合成條件、制備工藝對其電子性質(zhì)的影響規(guī)律尚不明確，這為材料的設(shè)計和應(yīng)用帶來了諸多不確定性。
因此，本書旨在全面深入地探討新型壓電鐵電材料的電子性質(zhì)，通過實驗和理論相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究新型壓電鐵電材料的電子結(jié)構(gòu)、載流子行為以及相關(guān)物理效應(yīng)。期望本書中的研究工作可為新型壓電鐵電材料的進一步發(fā)展與應(yīng)用提供理論支持和實踐指導(dǎo)。
本書得到山西省高等學校科技創(chuàng)新計劃項目(項目號：2023L415)、山西省基礎(chǔ)研究計劃(自由探索類)青年項目(項目號：202303021222282)的資助，在此表示感謝! 也感謝山西工程科技職業(yè)大學的鼎力支持!
限于編者水平，書中疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。

李佳斌
山西工程科技職業(yè)大學

第1章　緒論001
1.1　引言001
1.1.1　二維材料的發(fā)現(xiàn)002
1.1.2　磷烯003
1.1.3　雙面二維納米材料005
1.1.4　超薄二維納米材料006
1.2　壓電效應(yīng)007
1.2.1　壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及其原理007
1.2.2　二維壓電材料的興起009
1.3　二維材料的拓撲相變015
1.3.1　二維拓撲絕緣體材料015
1.3.2　二維拓撲相變022
1.4　有機無機雜化鈣鈦礦材料027
1.4.1　無機鈣鈦礦結(jié)構(gòu)027
1.4.2　有機無機雜化鈣鈦礦結(jié)構(gòu)028

第2章　理論計算方法030
2.1　密度泛函理論030
2.1.1　Hohenberg-Kohn 定理030
2.1.2　Kohn-Sham 方程031　2.2　交換關(guān)聯(lián)泛函031
2.3　各種計算軟件介紹031
2.4　Berry phase 方法033
2.5　density functional perturbation theory 方法035
2.6　tight-binding theory 方法035
2.7　二維拓撲絕緣體中的拓撲Z 2 數(shù)036

第3章　二維氧化黑磷烯的壓電效應(yīng)037
3.1　引言037
3.2　計算模型與方法038
3.3　結(jié)果與討論039
3.3.1　氧化黑磷烯的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)039
3.3.2　氧化黑磷烯的壓電效應(yīng)042
3.3.3　氧化黑磷烯的光學性質(zhì)047
3.4　結(jié)論048

第4章　二維twist-boat 氧化磷烯的壓電效應(yīng)049
4.1　引言049
4.2　理論計算方法051
4.3　結(jié)果與討論051
4.3.1　twist-boat 構(gòu)型氧化磷烯的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性051
4.3.2　twist-boat 構(gòu)型氧化磷烯的電子性質(zhì)054
4.3.3　twist-boat 構(gòu)型氧化磷烯的壓電效應(yīng)057
4.3.4　twist-boat 構(gòu)型氧化磷烯的光學性質(zhì)062
4.4　結(jié)論063

第5章　二維TlP 構(gòu)型氫化后的壓電效應(yīng)065
5.1　引言065
5.2　計算模型與方法066
5.3　結(jié)果與討論067
5.3.1　TlP 結(jié)構(gòu)氫化后的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性067
5.3.2　TlP 結(jié)構(gòu)氫化后的電子性質(zhì)069
5.3.3　TlP 結(jié)構(gòu)氫化后的壓電效應(yīng)070
5.3.4　TlP 結(jié)構(gòu)氫化后的光學性質(zhì)072
5.4　結(jié)論073

第6章　二維1T′-WSTe 中的拓撲相變075
6.1　引言075
6.2　計算模型與方法076
6.3　結(jié)果與討論077
6.3.1　二維1T′-WSTe 的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)077
6.3.2　二維1T′-WSTe 的拓撲性質(zhì)080
6.3.3　二維1T′-WSTe 導(dǎo)帶和價帶的有效模型082
6.3.4　二維1T′-WSTe 的壓電效應(yīng)085
6.4　結(jié)論086

第7章　有機無機雜化鈣鈦礦的鐵電性088
7.1　引言088
7.2　計算模型與方法091
7.3　結(jié)果與討論091
7.3.1　NH4 PbI3 立方相的結(jié)構(gòu)和鐵電性質(zhì)091
7.3.2　NH4 PbI3 四方相的結(jié)構(gòu)和鐵電性質(zhì)093
7.3.3　NH4 PbI3 正交相的結(jié)構(gòu)和鐵電性質(zhì)095
7.3.4　NH4 PbI3 結(jié)構(gòu)鐵電性的起源097
7.4　結(jié)論098

第8章　總結(jié)與展望099
8.1　總結(jié)099
8.2　展望101

參考文獻　103

附錄　129
附錄A　9 種不同氧化磷烯異構(gòu)體的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)、功函數(shù)和能量值129
附錄B　9 種不同氧化磷烯異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)俯視和側(cè)視圖130
附錄C　二維TlP 構(gòu)型氫化后的熱力學結(jié)構(gòu)及能量圖132
附錄D　二維1T′-WSTe 中的拓撲相變133
附錄E　有機無機雜化鈣鈦礦的鐵電性139