稀土元素La掺杂对AlN性能影响的第一性原理研究

贾晓凤， 刘玉慧， 王 赫

(安阳工学院 机械工程学院， 安阳 455000)

1 引 言

纤锌矿构型的氮化铝(AlN)是目前常用的压电材料，在通讯设备中有广泛的应用，例如用于制备薄膜体声波谐振器(FBARs)以及固态装配谐振器(SMRs)等[1-3]. 此外，AlN具有非常高的居里温度(1423 K)，使其在高温下也可具有一定的压电性能[4]. 通常情况下，高居里温度材料的压电系数较低，较低的压电常数d33(5.5 pC/N)是制约AlN应用的最主要因素之一[5]. 因此，如何提升AlN的压电性能具有十分重要的研究意义和应用价值. 近年来，国内外有大量的学者通过掺杂合金元素对AlN的压电性能进行了改进. Yoshiki等[6]研究了一系列的二元合金元素组合共掺杂对AlN压电性能的影响，发现掺杂等量的Mg2+/Hf4+或者Mg2+/Zr4+时，体系具有非常出色的化学稳定性以及压电性能. Hiroyoshi等[7]研究了不同含量的Sc对AlN压电性能的影响，计算结果表明当Sc从0到0.75变化时，e33逐渐增大，C33逐渐降低，因此d33会随着Sc含量的增加会有大幅度的提升. 但对La掺杂AlN的电子结构、力学性能及压电性能的理论计算尚未见报道. 由于稀土元素La与Sc属于同族元素，且相对于Sc来说，La的原子半径更大、电负性更低，掺杂La对其压电性能的提升预期会更大. 因此本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了稀土元素La掺杂对AlN力学性能、压电性能的影响，并对电子结构进行分析，揭示具体的作用机理.

2 计算方法

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算程序VASP(Vienna Ab initio Simulation Package code)进行计算[8]. 交换关联泛函采用的是广义梯度近……