晶體取向相關(guān)的低維鐵電材料物理性能的研究.pdf

1、近年來(lái)，鐵電薄膜、鐵電納米線、鐵電納米柱以及鐵電納米顆粒等低維鐵電材料由于具有多種優(yōu)異的物理性能，如介電性、壓電性、熱釋電性和光電性等，在鐵電存儲(chǔ)器、紅外探測(cè)器、高頻電容器、納米傳感器及納米發(fā)電機(jī)等微納器件上具有十分廣泛的應(yīng)用。近期實(shí)驗(yàn)研究表明，除了通過(guò)施加傳統(tǒng)的電場(chǎng)、外力等來(lái)改變鐵電材料的物理性能以外，還可以通過(guò)制備擇優(yōu)取向的鐵電材料來(lái)提高其性能，晶體取向?qū)Φ途S鐵電材料如鐵電薄膜和鐵電納米線的物理性能影響更為明顯。對(duì)于（001）取向的

2、低維鐵電材料物理性能的研究，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)方面還是理論方面都已十分成熟，然而對(duì)于其它晶體取向低維鐵電材料性能的研究還十分匱乏，現(xiàn)有的結(jié)果基本都是基于實(shí)驗(yàn)的定性分析，缺乏深入的機(jī)理性研究。
　　本文利用非線性的Landau-Ginsburg-Devonshire（LGD）熱力學(xué)理論結(jié)合低維鐵電材料的力學(xué)邊界條件建立了適用于不同晶體取向的單晶單疇和單晶多疇鐵電薄膜的有效能表達(dá)式，從理論上預(yù)報(bào)了晶體取向?qū)﹁F電薄膜物理性能的調(diào)控。利用相場(chǎng)模型

3、，分別從宏觀和微觀上分析了不同晶體取向?qū)τ阼F電單晶薄膜、多晶鐵電薄膜和鐵電納米柱物理性能的影響。主要研究工作如下：
　?。?）對(duì)于外延（110）和（111）取向的BaTiO3（BTO）和PbTiO3（PTO）單晶鐵電薄膜，建立了對(duì)應(yīng)晶體取向下的熱力學(xué)單疇模型，計(jì)算并分析了晶體取向、應(yīng)變和溫度對(duì)單晶單疇鐵電薄膜物理性能（電極化、相變溫度、相圖、介電性能和壓電性能）的影響。
　　（2）根據(jù)LGD熱力學(xué)理論，考慮密排多疇模型，建立

4、了（110）和（111）取向的BTO單晶多疇鐵電薄膜的有效能表達(dá)式，計(jì)算并分析了晶體取向、應(yīng)變和溫度對(duì)于單晶多疇鐵電薄膜物理性能（電極化、相變溫度、相圖、介電性能和壓電性能）的影響。利用相場(chǎng)模型分析了不同晶體取向下的單晶 BTO鐵電薄膜在不同溫度和應(yīng)變下疇結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程，通過(guò)與 LGD熱力學(xué)理論得到的結(jié)果進(jìn)行比較，定性和定量的分析結(jié)果的合理性和一致性。
　?。?）建立（110）和（111）取向的多晶多疇鐵電薄膜的相場(chǎng)模型，計(jì)算分析

5、了不同取向、應(yīng)變和電場(chǎng)對(duì)于（110）和（111）取向下PTO多晶薄膜的疇結(jié)構(gòu)、電極化、介電性能和壓電性能的影響。
　?。?）對(duì)于（001）、（110）和（111）取向的單晶鐵電納米柱，利用相場(chǎng)模型分析了不同取向下結(jié)合不同應(yīng)變和溫度對(duì)于PTO納米柱的疇結(jié)構(gòu)、電極化、電熱效應(yīng)的影響。
　　綜上所述，晶體取向?qū)τ阼F電薄膜、鐵電納米柱等低維鐵電材料的物理性能具有十分重要的影響，通過(guò)晶體取向結(jié)合應(yīng)變、溫度、電場(chǎng)等能有效地優(yōu)化鐵電材料的