高压下KNN压电性能的第一性原理计算

针对面向声学煤矿传感技术的高性能无铅压电材料铌酸钾钠(KNN),外加力场是调控其电学性能的重要手段之一.为研究高压条件下KNN的压电性能变化规律,采用基于密度泛函的第一性原理计算方法研究了不同压力下KNN的晶格常数、相结构能量、电子结构、介电性能和压电性能,系统研究不同压力下KNN压电性能的变化机理,确定其最佳的压力工作点.结果表明:随着外加压力从0 增加至21 GPa,KNN晶胞内晶格常数减小(原子间距离减小),电子结构中的能带带隙先减小后增大,电子结构电子云重叠程度增大和原子间静电作用增强.在外加压力15～18 GPa范围内,KNN从三方相R相转变为正交相O相,此时R相和O相自由能差值低,自由能分布更平坦,晶格在外场下更容易发生形变,NbO-6 八面体也更容易发生畸变从而增强KNN压电性能.在外加压力为15 GPa下的KNN具有优良的介电性能和最大的压电性能e33 =7.2 C/m2,有利于提升声学煤矿感知技术从而充分保障煤矿井下工作面安全高效生产.