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研究生课程（论文类）试卷 2?0?16 /2?0?17 学年第 1?学期 课程名称： 材料物理性能 课程代码：论文题目： ??????????3纳米线的纳米级性能： 增强能量转换和存储的相位竞争 专业、学号： 机电功能材料 162382308 学院： 材料科学与工程学院 课程（论文）成绩： 课程（论文）评分依据（必填）： 1、?运用本门课程所学的知识，结合自己的专业背景和科研方向，选一 种具体的材料或复合材料实证分析其物理性能（热学性能、电学 性能、磁学性能或光学性能）的特点、原理及应用前景。 2、?要求所提出的观点具有一定的创新价值。 3、?不少于?3000?字。 任课教师签字： 日期： 年 月 日 课程（论文）题目： ??????????3纳米线的纳米级性能： 可以表现出高达?60????????的能量存储密度和接近?40％的效率。这是一个典型的介质电容器，只能存储高达 可以表现出高达?60????????的能量存储密度和接近?40％的效率。这是一个典型的介质电 容器，只能存储高达?2????????的能量。反铁电的另一个独特的和技术上期望的特征是伴 状。已有报道反铁电膜具有在?7-37????????的范围内的能量存储密度，其低于相应体积发 内容：?1.介绍 能源供应的不断增长的需求推动了对清洁生成的和可再生能源的追求。目前，电 能需求增长速度是整体能源使用量的两倍，预计到?2035?年将增长三分之二以上。例如， 2012?年?42％的一次能源转化为电。这反过来驱动对用于有效存储，吸收，供应和转换 电力的装置的需求。这些装置需要高能量存储密度，高功率密度，高能量效率和转换 特性。对功能材料的需求对于小型化和可集成的电子和电气系统更加迫切。在散装材 料中，反铁电体由于其潜在的能量存储和转换而受到极大的关注，这源于大的饱和极 化，小的残余极化和优异的机电特性。例如，优化的(????0.97????0.02)(????0.98????0.02)??3厚膜 3 3 随由电场引起的反铁电到铁电相变的应变的大变化。例如，在反铁电大块陶瓷中，反 铁电（AFE）和铁电（FE）相之间的应变差异可以达到?0.4％，使其成为微致动器的优 良候选者。 虽然反铁电在能量应用的材料领域已经成为强竞争者，但是它们作为小型化装置 使用的前景仍然在很大程度上是未知的，迄今为止的大多数研究集中在薄膜的几何形 3 现的值。有些类似机电响应的趋势，似乎在薄膜变得更弱。例如，反铁电薄膜的应变 只能达到?0.2％，这种性质的劣化是由?AFE?薄膜发展?FE?相的趋势引起的。另一方面， 超越平面几何形状的?AFE?纳米结构的性质少有研究，这对?AFE?纳米线尤其如此。纳 米线可以使用各种实验技术合成，作为互连和功能单元在电子，光电子，电化学和机 电纳米器件的制造这些方面特别有价值。同时，AFE?纳米线对于能量相关应用的前景 几乎是未知的。反铁电纳米线可以胜过其对应的能量储存和转换性能，或者在纳米尺 度的铁电性实际上导致功能的恶化。虽然实验答案待定，基于原子尺度的第一原理的 模拟可能已经提供了一些有价值的指导。 2.计算方法 （反）铁电体的有效哈米尔顿模型的必威体育精装版发展已经使得各种纳米尺度（反）极性 材料的模拟成为可能。我们在应用电场和宽范围温度下对电纳米线进行了这样的研究， 目的是解决上述问题。沿着[001]假立方方向生长的具有?4.1?至?8.3nm?的横向尺寸?d?的 无应力??????????3纳米线沿纳米线轴周期性的?NxNx20?超晶胞模拟，超细胞的能量由 ??????????3的第一原理有效哈密顿量给出。哈密尔顿算子的自由度包括与单位晶胞中的偶 极矩成比例的局部模式，描述氧八面体旋转的氧化铝八面体绕拟赝立轴倾斜，以及应 变变量张量，其负责单元电池的机械变形。注意，这里的单位晶胞是指立方钙钛矿的 五原子晶胞。??????????3哈密尔顿算子的能量包括准一维结构中的偶极-偶极相互作用，短 程相互作用，现场自身能量，弹性能量，自由度之间的耦合能量和局部模式之间的相 互作用和电场。Hamiltonian?正确再现了?PbZrO3?的许多电学和热力学性质。特别地， 它准确地预测反铁电相变和与其相关的偶极模式，电滞后环路和在压力下的??????????3行 为。 为了模拟不同的电边界条件，我们应用与纳米结构中的平均去极化场相反的均匀 电场。超细胞中的平均去极化场可以从?Ref?的原子方法计算，或来自连续模型近似的 平均去极化场。考虑本研究中的纳米结构尺寸，两种方法给出非常相似的结果，由于 其计算效率，我们大多使用连续模型近似。补偿电荷的量由表面电荷补偿的百分比?β 控制。例如，β=92％对应于当自由载流子可以补偿由于极化造成的高达?92％的表