关于 (Al,Sc)N 铁电氮化物的深层基本理解
材料科学
2026-01-06 v3
摘要
在六方形形态下进行 Al1-xScxN 铁电氮化物的性质和能量学研究。我们在虚拟晶体合金近似下进行密度泛函理论 (DFT) 计算，并构建了一种 Landau 类型模型，采用对称允许的解析内部能表达式，模型参数由 first principles 计算得到，以探讨 Al1-xScxN 铁电氮化物的性质和能量学。这些 DFT 计算和该模型预测，在任何 Sc 掺杂浓度至 40% 之前，两种不同类型的局部最小能态均存在，即 4 配位的 wurtzite (WZ) 极结构和一种 5 次 paraelectric 六方相 (暂称 H5)，其中 H5 随 Sc 浓度从 0% 增加到 40% 时逐渐成为六方对称下的最低能态。此外，模型指出了几项关键发现。其中之一是，极化与应变耦合在创建 WZ 局部最小能态中起关键作用，除了极化能和弹性能之外，H5 状态在增加 Sc 掺杂浓度后取代 WZ 相成为全局最小能态的根本原因主要来自仅两个参数的掺杂依赖性：一个与极化相关，另一个纯粹是弹性的。其他发现包括：将 Al1-xScxN 系统加热时若能保持晶格参数无或弱变，可较好地再现其有限温度极化性质；另外，理想 WZ 结构的轴向比接近的值在低温意味着大偏振，但在高温并不一定如此，因为 WZ 状态温度诱导形成的有序-无序特性。上述发现应有助于更好地基本理解 (Al,Sc)N 铁电氮化物，这些发现可能用于设计在低电压下运行的高效器件。
引用
@article{arxiv.2509.15050,
title = {Towards a deeper fundamental understanding of (Al,Sc)N ferroelectric nitrides},
author = {Peng Chen and Dawei Wang and Alejandro Mercado Tejerina and Keisuke Yazawa and Andriy Zakutayev and Charles Paillard and Laurent Bellaiche},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.15050},
year = {2026}
}