$\mathrm{Ga_2O_3}$ 的压电性质：一项第一性原理研究

化合物呈现压电性，这要求打破反演对称性，且其为半导体。对于 $\mathrm{Ga_2O_3}$，常见五种相中的正交相（$\epsilon$-$\mathrm{Ga_2O_3}$）打破了反演对称性。本文利用密度泛函微扰理论（DFPT）报道了 $\epsilon$-$\mathrm{Ga_2O_3}$ 的压电张量。为确认 $\epsilon$-$\mathrm{Ga_2O_3}$ 的半导体性质，利用其电子结构，采用广义梯度近似（GGA）和 Tran 与 Blaha 修正的 Becke 和 Johnson（mBJ）交换势进行了研究。用 mBJ 方法预测带隙值为 4.66 eV，同时得到导带底（CBM）处电子的有效质量张量 [约 0.24 $m_0$]。mBJ 带隙与现有实验值非常接近。弹性张量 $C_{ij}$ 和压电应力张量 $e_{ij}$ 由 DFPT 获得，进而由 $C_{ij}$ 和 $e_{ij}$ 计算出压电应变张量 $d_{ij}$。在此过程中，估算了 $\epsilon$-$\mathrm{Ga_2O_3}$ 的平均力学性质，如体积模量、剪切模量、杨氏模量等。计算所得 $d_{ij}$ 与常用压电材料如 $\alpha$-石英、ZnO、AlN 和 GaN 相当甚至更高。