铁电材料薄膜化以后，可以与现代的微电子工艺集成，能够应用于多种电子器件，例如铁电存储器、红外探测器、压电传感器和激励器、非线性光学器件等。在各种复杂的电子器件中，铁电薄膜与金属电极接触,产生界面效应，在界面处产生不同的物理性质。界面效应对于块体材料的影响通常是可以忽略的。但是当薄膜达到亚微米级别时，界面效应对材料的结构和性能的影响就变得非常重要了。

界面问题，一直被认为是造成铁电失效的重要原因之一。在铁电薄膜的生长、加工和使用过程中，薄膜的界面处往往特别容易形成点缺陷、位错等晶格缺陷，这些缺陷往往会迁移到界面处，与界面形成耦合，抑制薄膜性能。随着铁电薄膜尺寸的不断减小，铁电材料的界面、缺陷等微观结构的影响越来越重要，很多时候甚至对铁电薄膜的物理性能起着决定性的作用。因此开展界面对薄膜的影响机理的研究十分必要，有利于人们通过构建合理界面最终提高铁电薄的性能，进一步推动铁电薄膜在电子器件中的应用。

目前，理论认识的局限和测试手段的缺乏，限制了我们对界面问题的进一步研究。基于块体材料的宏观性质所提出的相场理论、横场Ising模型和软模理论等由于对材料的原子或电子结构考虑较少，无法满足我们对PZT/Pt薄膜界面电子结构的研究。测试手段的缺乏，尤其是界面表征手段的缺乏，限制了人们对PZT/Pt薄膜的进一步认识。常规的界面分析方法，如透射电子显微镜等只能提供微观结构方面的信息，无法满足对PZT/Pt薄膜界面电学性质的研究。

由于量子力学等理论方法以及高性能计算机的发展，使人们可以从原子尺度和电子结构的角度，重新认识铁电性能的物理机制，并且深入地对铁电薄膜的界面等问题进行研究。

其中第一性原理(First principles)计算方法是以量子力学理论为基础，将物体看作原子和电子相互作用的系统，从而计算体系的总能量，进而确定体系的稳定状态。第一性原理的方法直接从物质的原子和电子结构出发，使人们从更微观的角度去理解材料的物理性质。目前，人们已经可以从第一性原理出发，采用密度泛函理论和自发极化的Berry相描述，计算铁电极化、畴壁界面和缺陷之间的相互作用。有学者采用第一性原理计算定量证实了偶极子之间的短程库伦相互作用导致的横光学波声子软化是铁电性的起源。随着计算机计算能力不断提升，目前已经能够对铁电体中的复杂结构进行模拟计算。

近年来，对铁电薄膜的界面效应的研究主要有以下两个方面：极化稳定性和界面死层效应起源。在极化稳定性方面，有学者借助第一性原理方法研究了PbTi(Zr)O₃（001）（PZT）与Co膜的界面耦合，计算结果表明，当界面中的Ti⁴ 被Zr⁴ 取代时，PZT中的铁电离子位移可以局部增强。另外有学者借助第一性原理计算研究了空位对Fe / BaTiO₃界面的结构，磁电和电子性质的影响，发现在界面中引入空位型缺陷-将增加铁磁/铁电体系的耦合强度。在界面死层效应起源方面，有学者借助第一性原理计算研究了电极/铁电界面对纳米级钛酸钡铁电电容器极化性能的影响。在LaNiO₃/BaTiO₃/LaNiO₃电容器中发现了一个具有反向极化的薄层。在铁电薄膜的上界面具有反向极化的钉扎区起到了死层的作用，降低了总极化。这种反向极化源于铁电薄膜上界面附近的固有极化不稳定性和界面电场。为了消除这种界面死层效应，采用了缓冲层方法。结果表明，LaXO₃ (X=Fe, Co)或YNiO₃ (Y=Sr, Ba)缓冲层可以有效地去除BaTiO₃薄膜中的死层效应。

本课题借助第一性原理计算，找出最稳定的PZT/Pt界面构型，通过计算PZT/Pt体系的界面电子结构和界面势垒等性质，研究界面对铁电薄膜电流输运的影响机理，有利于今后通过构建合理界面最终提高铁电薄的性能，进一步推动铁电薄膜在电子器件中的应用。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容