鐵電體極化疇與力電耦合性能的分子動力學模擬.pdf

1、近年來，微納米器件呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展之勢。鐵電材料作為一種非常重要的功能材料，因其具有良好的力、熱、電耦合性能而廣泛應用于功能器件中。隨著鐵電器件特征尺寸減小至納米尺度，鐵電材料力電耦合響應呈現(xiàn)出明顯與傳統(tǒng)宏觀尺度情況不一樣的現(xiàn)象，這是因為鐵電體內疇結構在納米尺度會呈現(xiàn)一些特殊的構型和演化模式。這對微納米鐵電器件的設計和應用提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，納米尺度下鐵電疇結構的演化已成為微納米鐵電器件設計和應用中必須面對的重要問題。薄膜是微納米器件的一種

2、常見形式，因此研究納米鐵電薄膜中疇結構在機械載荷作用下的演化和力電耦合響應具有重要的科學和工程意義。
　　本文提出了基于分子動力學方法的力電耦合計算框架，建立了納米尺度鐵電體介電常數(shù)的計算模型，模擬了納米尺度鐵電疇在機械載荷作用下的演變行為，揭示了納米尺度漩渦和反漩渦構型特性和相互作用關系，探討了漩渦疇和反漩渦疇的萌生、運動、碰撞和湮滅行為，討論了鐵電疇演化的應變率效應。本文取得的主要創(chuàng)新性成果包括：
　　1、提出了適用于鈣

3、鈦礦類晶體介電常數(shù)計算的基于洛倫茲有效電場模型的分子動力學方法，利用洛倫茲有效電場模型推導了鈣鈦礦類鐵電材料介電常數(shù)的計算公式，采用分子動力學方法計算模型結構參數(shù)，進而得到納米尺度鈣鈦礦類晶體的介電常數(shù)。作為實例，計算了在不同溫度條件下鈦酸鋇單晶納米線的介電常數(shù)，并與實驗結果在整個相變溫度區(qū)間進行了比較，驗證了該方法的合理性。
　　2、采用基于 Shell模型的分子動力學方法，模擬了在常應變率的單軸壓縮位移載荷作用下，180°納米

4、極化疇結構的演化過程，發(fā)現(xiàn)在壓縮變形從零發(fā)展到2％的過程中，極化疇結構的演化明顯可以劃分為三個階段：當應變達到0.05％時，初始180°疇結構演變成四個首尾相接的90°疇，并形成封閉型漩渦；當應變處于0.22％到1％之間時，進一步發(fā)展成沿z軸方向的漩渦-反漩渦-漩渦結構和沿y軸方向的漩渦組陣列；當應變達到1％時，漩渦疇消失，形成垂直于z方向的180°疇壁結構。
　　3、研究了在不同應變率的位移加載條件下鐵電單晶的力電耦合響應，發(fā)現(xiàn)

5、鐵電單晶力電耦合響應在應變率小于0.5ns-1的范圍內存在明顯的應變率依賴性、形成穩(wěn)定疇結構的應變與加載應變率呈半對數(shù)線性關系、穩(wěn)定疇隨應變率增大而依次發(fā)生由內部向表面的局部180°翻轉、疇壁數(shù)目也隨應變率增大而增大、而當應變率大于0.5ns-1時應變率的改變對疇結構的影響不明顯。
　　4、模擬了在常應變率的單軸壓縮位移載荷作用下正反漩渦對的萌生、運動、碰撞和湮滅的全過程，估算了漩渦和反漩渦的運動速度，漩渦與反漩渦發(fā)生碰撞、湮滅及