新型压电铁电材料电子性质

本书内容涵盖二维材料的压电响应、拓扑绝缘体的相变和钙钛矿的铁电性。全书共分为8章。第1章介绍了二维材料的发展历程，讲述了二维压电材料的发现和兴起，探讨了二维材料中压电铁电性对拓扑相变的调控以及钙钛矿中铁电性的起源；第2章简单介绍了理论计算的相关知识和计算软件；第3～5章主要内容为几种不同二维材料压电响应的具体计算；第6章主要介绍通过应变、压电响应等方法调控二维拓扑绝缘体材料拓扑相变；第7章重点探讨了有机无机杂化钙钛矿中铁电性的起源问题；第8章对压电铁电性在材料中的发展做总结与展望。
本书侧重于二维材料压电铁电性质的学习和理论计算，编写具有较强的专业针对性，旨在培养读者解决二维材料理论计算问题的能力。本书可以作为物理和材料领域从事理论计算的技术人员的参考书，也可以作为高等学校高年级本科生和研究生的教学参考书。

随着科技的飞速发展，材料科学在许多领域中都发挥着至关重要的作用。其中，压电铁电材料作为一种独特的功能材料，因其具有压电效应和铁电效应，被广泛应用于传感、驱动、能源转换等领域。然而，传统的压电铁电材料在某些性能方面已无法满足现代科技的需求，因此，新型压电铁电材料的研究成为了当前研究的热点和难点。
新型压电铁电材料不仅需要具备优异的压电和铁电性能，还需要在稳定性、可靠性、环保性等方面达到新的标准。近年来，科研人员通过不断探索和尝试，成功研发出了一系列新型压电铁电材料，这些新材料在性能和应用上都展现出了显著的优势。
新型压电铁电材料的电子性质是其重要特性之一。电子性质不仅影响材料的导电性能、载流子行为等基础物理特性，还直接关联到材料的光电、热电、磁电等多功能效应。理解并掌握这些电子性质有助于深入挖掘新型压电铁电材料的应用潜力，进一步拓宽其应用范围。
然而，新型压电铁电材料的电子性质研究面临诸多挑战。首先，这些材料的复杂结构和多物理场耦合特性使得对电子行为的描述变得极为复杂。其次，现有研究手段和理论模型在描述新材料电子性质时仍存在局限性，使得精确预测和调控材料的电子行为变得困难。此外，不同新型压电铁电材料的合成条件、制备工艺对其电子性质的影响规律尚不明确，这为材料的设计和应用带来了诸多不确定性。
因此，本书旨在全面深入地探讨新型压电铁电材料的电子性质，通过实验和理论相结合的方法，系统研究新型压电铁电材料的电子结构、载流子行为以及相关物理效应。期望本书中的研究工作可为新型压电铁电材料的进一步发展与应用提供理论支持和实践指导。
本书得到山西省高等学校科技创新计划项目(项目号：2023L415)、山西省基础研究计划(自由探索类)青年项目(项目号：202303021222282)的资助，在此表示感谢! 也感谢山西工程科技职业大学的鼎力支持!
限于编者水平，书中疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。

李佳斌
山西工程科技职业大学

第1章　绪论001
1.1　引言001
1.1.1　二维材料的发现002
1.1.2　磷烯003
1.1.3　双面二维纳米材料005
1.1.4　超薄二维纳米材料006
1.2　压电效应007
1.2.1　压电效应的发现及其原理007
1.2.2　二维压电材料的兴起009
1.3　二维材料的拓扑相变015
1.3.1　二维拓扑绝缘体材料015
1.3.2　二维拓扑相变022
1.4　有机无机杂化钙钛矿材料027
1.4.1　无机钙钛矿结构027
1.4.2　有机无机杂化钙钛矿结构028

第2章　理论计算方法030
2.1　密度泛函理论030
2.1.1　Hohenberg-Kohn 定理030
2.1.2　Kohn-Sham 方程031　2.2　交换关联泛函031
2.3　各种计算软件介绍031
2.4　Berry phase 方法033
2.5　density functional perturbation theory 方法035
2.6　tight-binding theory 方法035
2.7　二维拓扑绝缘体中的拓扑Z 2 数036

第3章　二维氧化黑磷烯的压电效应037
3.1　引言037
3.2　计算模型与方法038
3.3　结果与讨论039
3.3.1　氧化黑磷烯的结构和电子性质039
3.3.2　氧化黑磷烯的压电效应042
3.3.3　氧化黑磷烯的光学性质047
3.4　结论048

第4章　二维twist-boat 氧化磷烯的压电效应049
4.1　引言049
4.2　理论计算方法051
4.3　结果与讨论051
4.3.1　twist-boat 构型氧化磷烯的结构和稳定性051
4.3.2　twist-boat 构型氧化磷烯的电子性质054
4.3.3　twist-boat 构型氧化磷烯的压电效应057
4.3.4　twist-boat 构型氧化磷烯的光学性质062
4.4　结论063

第5章　二维TlP 构型氢化后的压电效应065
5.1　引言065
5.2　计算模型与方法066
5.3　结果与讨论067
5.3.1　TlP 结构氢化后的结构和稳定性067
5.3.2　TlP 结构氢化后的电子性质069
5.3.3　TlP 结构氢化后的压电效应070
5.3.4　TlP 结构氢化后的光学性质072
5.4　结论073

第6章　二维1T′-WSTe 中的拓扑相变075
6.1　引言075
6.2　计算模型与方法076
6.3　结果与讨论077
6.3.1　二维1T′-WSTe 的结构和电子性质077
6.3.2　二维1T′-WSTe 的拓扑性质080
6.3.3　二维1T′-WSTe 导带和价带的有效模型082
6.3.4　二维1T′-WSTe 的压电效应085
6.4　结论086

第7章　有机无机杂化钙钛矿的铁电性088
7.1　引言088
7.2　计算模型与方法091
7.3　结果与讨论091
7.3.1　NH4 PbI3 立方相的结构和铁电性质091
7.3.2　NH4 PbI3 四方相的结构和铁电性质093
7.3.3　NH4 PbI3 正交相的结构和铁电性质095
7.3.4　NH4 PbI3 结构铁电性的起源097
7.4　结论098

第8章　总结与展望099
8.1　总结099
8.2　展望101

参考文献　103

附录　129
附录A　9 种不同氧化磷烯异构体的晶体结构参数、功函数和能量值129
附录B　9 种不同氧化磷烯异构体的结构俯视和侧视图130
附录C　二维TlP 构型氢化后的热力学结构及能量图132
附录D　二维1T′-WSTe 中的拓扑相变133
附录E　有机无机杂化钙钛矿的铁电性139