稀土元素La摻雜對AlN性能影響的第一性原理研究

賈曉鳳， 劉玉慧， 王 赫

(安陽工學院 機械工程學院， 安陽 455000)

1 引 言

纖鋅礦構型的氮化鋁(AlN)是目前常用的壓電材料，在通訊設備中有廣泛的應用，例如用于制備薄膜體聲波諧振器(FBARs)以及固態裝配諧振器(SMRs)等[1-3]. 此外，AlN具有非常高的居里溫度(1423 K)，使其在高溫下也可具有一定的壓電性能[4]. 通常情況下，高居里溫度材料的壓電系數較低，較低的壓電常數d33(5.5 pC/N)是制約AlN應用的最主要因素之一[5]. 因此，如何提升AlN的壓電性能具有十分重要的研究意義和應用價值. 近年來，國內外有大量的學者通過摻雜合金元素對AlN的壓電性能進行了改進. Yoshiki等[6]研究了一系列的二元合金元素組合共摻雜對AlN壓電性能的影響，發現摻雜等量的Mg2+/Hf4+或者Mg2+/Zr4+時，體系具有非常出色的化學穩定性以及壓電性能. Hiroyoshi等[7]研究了不同含量的Sc對AlN壓電性能的影響，計算結果表明當Sc從0到0.75變化時，e33逐漸增大，C33逐漸降低，因此d33會隨著Sc含量的增加會有大幅度的提升. 但對La摻雜AlN的電子結構、力學性能及壓電性能的理論計算尚未見報道. 由于稀土元素La與Sc屬于同族元素，且相對于Sc來說，La的原子半徑更大、電負性更低，摻雜La對其壓電性能的提升預期會更大. 因此本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法研究了稀土元素La摻雜對AlN力學性能、壓電性能的影響，并對電子結構進行分析，揭示具體的作用機理.

2 計算方法

本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算程序VASP(Vienna Ab initio Simulation Package code)進行計算[8]. 交換關聯泛函采用的是廣義梯度近……