单轴应变和应力下 PbTiO$_3$ 的第一性原理研究

本文在密度泛函理论框架内，通过第一性原理计算研究了 PbTiO$_3$ 在单轴应变和应力下的行为。我们表明，无论施加何种单轴机械约束，系统均保持纯铁电基态，其极化方向要么沿约束方向（$FE_z$ 相），要么沿垂直于该方向的伪立方轴之一（$FE_x$ 相）。这与先前报道的各向同性或双轴机械约束下出现结合铁电和反铁畸变运动的新相的情况形成对比。在单轴应变下，PbTiO$_3$ 从压缩应变下的 $FE_x$ 基态转变为拉伸应变下的 $FE_z$ 基态，临界应变为 $\eta_{zz}^c \approx +1$\%。在单轴应力下，PbTiO$_3$ 在压缩时（$\sigma_{zz} < 0$）呈现 $FE_x$ 基态，或在拉伸时（$\sigma_{zz} > 0$）呈现 $FE_z$ 基态。然而，在此情况下，预测在临界值 $\sigma_{zz} \approx$ $+2$ GPa 和 $- 8$ GPa 处，压缩和拉伸应力下结构参数均会发生突变。这种行为类似于负各向同性压力下预测的行为，可能在纳米器件中增强压电响应方面具有实用价值。