鐵電薄膜鐵電-壓電行為的疇變理論分析.pdf

1、鐵電薄膜具有良好的介電性、鐵電性和壓電性。在過(guò)去幾十年鐵電薄膜得到廣泛應(yīng)用,如微型驅(qū)動(dòng)器、鐵電薄膜感應(yīng)器和壓力傳感器等。電疇是鐵電材料中取向一致的微區(qū),電疇的翻轉(zhuǎn)是鐵電材料產(chǎn)生電滯回線和蝶形曲線的主要原因。目前,有很多判據(jù)可以用來(lái)模擬力場(chǎng)和循環(huán)電場(chǎng)下塊體鐵電材料的非線性行為。但是研究外加電場(chǎng)和力場(chǎng)下鐵電薄膜的疇變判據(jù)卻很少見(jiàn)。因此,建立恰當(dāng)?shù)蔫F電薄膜疇變模型,通過(guò)研究電疇在外加電場(chǎng)和力場(chǎng)下的翻轉(zhuǎn)行為來(lái)探索鐵電薄膜的非線性行為是研究重點(diǎn)。

2、
　　鐵電薄膜在制備過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生殘余應(yīng)變,在加外加載荷以前,殘余應(yīng)變已經(jīng)存在于鐵電薄膜中,可以認(rèn)為是鐵電薄膜中電疇的自發(fā)應(yīng)變。同時(shí),還考慮鐵電薄膜在外加電場(chǎng)下由電致伸縮引起的應(yīng)變對(duì)鐵電薄膜性能產(chǎn)生的影響。另一方面,鐵電薄膜和電極之間存在著一層介電系數(shù)非常小的過(guò)渡層,稱為死層。鐵電薄膜的介電系數(shù)隨著薄膜厚度的減小而減小,前人認(rèn)為這種現(xiàn)象由死層引起的?；诖?本文第一部分內(nèi)容是從微觀電疇出發(fā)建立改進(jìn)模型,考慮殘余應(yīng)變和電致伸縮

3、應(yīng)變后電疇在外場(chǎng)下的翻轉(zhuǎn),研究鐵電薄膜的非線性行為;第二部分內(nèi)容為利用改進(jìn)模型,考慮死層鐵電薄膜非線性行為的研究。具體情況如下:
　　1.鐵電薄膜在制備過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)變?cè)从谙嘧儜?yīng)變、本征應(yīng)變和界面熱失配應(yīng)變。將殘余應(yīng)變考慮到鐵電材料電疇的本構(gòu)關(guān)系中,同時(shí)把電致伸縮應(yīng)變考慮到鐵電薄膜電疇的本構(gòu)關(guān)系中。電疇翻轉(zhuǎn)前后兩狀態(tài)的Gibbs自由能的差為電疇翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力,如果電疇翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力大于電疇發(fā)生翻轉(zhuǎn)的閾值,電疇就可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)。利用本構(gòu)關(guān)

4、系求出每個(gè)電疇的電位移和應(yīng)變,然后對(duì)所有電疇求體平均得到鐵電薄膜的電位移和應(yīng)變。運(yùn)用改進(jìn)模型和傳統(tǒng)模型模擬Pb(ZrxTi1-x)O3鐵電薄膜在力場(chǎng)和循環(huán)電場(chǎng)下的電滯回線和蝶形曲線。將模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得知,運(yùn)用改進(jìn)模型模擬的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果較接近。由電滯回線可知,隨著外加壓應(yīng)力增加,剩余極化增加,矯頑電場(chǎng)減小;隨著外加拉應(yīng)力增大,剩余極化減小,矯頑電場(chǎng)增加。由蝶形曲線可知,隨著外加壓應(yīng)力增加,剩余應(yīng)變、場(chǎng)致應(yīng)變?cè)黾?隨著外加拉應(yīng)

5、力增大,剩余應(yīng)變、場(chǎng)致應(yīng)變減小。
　　2.為了形象的描述死層,引入電極-死層-鐵電層-電極三明治結(jié)構(gòu)。根據(jù)死層和鐵電層的界面上電位移的連續(xù)性確定鐵電層上的電場(chǎng)?；赗uess假設(shè)認(rèn)為鐵電層中電疇所受的電場(chǎng)等于鐵電層上的電場(chǎng)。電疇的本構(gòu)關(guān)系得到進(jìn)一步的改進(jìn),以此來(lái)計(jì)算每個(gè)電疇的電位移和應(yīng)變。通過(guò)對(duì)所有電疇求體平均來(lái)得到鐵電薄膜的電位移和應(yīng)變。運(yùn)用改進(jìn)模型、傳統(tǒng)模型以及考慮死層時(shí)模擬Pb(ZrxTi1-x)O3鐵電薄膜在外加力場(chǎng)和電場(chǎng)