Piezoelectric coefficients and spontaneous polarization of ScAlN

压电 极化(电化学) 压电系数 模数 凝聚态物理 谐振器 材料科学 极化密度 化学 物理 光电子学 物理化学 复合材料 量子力学 磁化 磁场
作者
A. Miguel,Siyuan Zhang,Tommi Riekkinen,Markku Ylilammi,M. A. Moram,Olga Lopez‐Acevedo,Jyrki Molarius,Tomi Laurila
出处
期刊:Journal of Physics: Condensed Matter [IOP Publishing]
卷期号:27 (24): 245901-245901 被引量:281
标识
DOI:10.1088/0953-8984/27/24/245901
摘要

We present a computational study of spontaneous polarization and piezoelectricity in Sc(x)Al(1-x)N alloys in the compositional range from x = 0 to x = 0.5, obtained in the context of density functional theory and the Berry-phase theory of electric polarization using large periodic supercells. We report composition-dependent values of piezoelectric coefficients e(ij), piezoelectric moduli d(ij) and elastic constants C(ij). The theoretical findings are complemented with experimental measurement of e33 for a series of sputtered ScAlN films carried out with a piezoelectric resonator. The rapid increase with Sc content of the piezoelectric response reported in previous studies is confirmed for the available data. A detailed description of the full methodology required to calculate the piezoelectric properties of ScAlN, with application to other complex alloys, is presented. In particular, we find that the large amount of internal strain present in ScAlN and its intricate relation with electric polarization make configurational sampling and the use of large supercells at different compositions necessary in order to accurately derive the piezoelectric response of the material.

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