量子起伏對(duì)幾種先兆性鐵電體介電性質(zhì)的影響.pdf

1、自上世紀(jì)50年代以來(lái)，量子順電體(也稱為先兆性鐵電體)SrTiO3、KTaO3、CaTiO3等由于其高介電常數(shù)、低介電損耗、對(duì)外場(chǎng)和溫度高度的可調(diào)協(xié)性等獨(dú)特的性質(zhì)和應(yīng)用價(jià)值一直是一類人們廣泛研究的晶體材料。隨溫度的降低，量子順電體的介電常數(shù)單調(diào)增加，但是一直到極低溫度鐵電相并不出現(xiàn)，而是介電常數(shù)達(dá)到一個(gè)數(shù)值很大的飽和值。這種行為被認(rèn)為是由于零點(diǎn)振動(dòng)引起的足夠大的量子起伏抑制了鐵電有序而使順電相保持穩(wěn)定的結(jié)果。通常，量子起伏僅僅對(duì)由輕原子

2、如氫、氦組成的材料的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)有重要的影響，對(duì)于由重原子組成的材料的結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)性質(zhì)沒(méi)有明顯的影響。然而，對(duì)立方鈣鈦礦材料來(lái)說(shuō)，由于他們的幾種不同的對(duì)稱結(jié)構(gòu)之間只有很小的結(jié)構(gòu)和能量差別，因此量子效應(yīng)仍然會(huì)對(duì)他們的性質(zhì)產(chǎn)生決定的影響。而且量子順電體的這種量子起伏的穩(wěn)定性能夠被外界的擾動(dòng)如外加電場(chǎng)、彈性應(yīng)力、摻雜、氧同位素替代等破壞而誘發(fā)其鐵電相。 有效場(chǎng)方法是一個(gè)處理鐵電材料物理性質(zhì)比較簡(jiǎn)單的理論方法。這一模型已經(jīng)被用于許多

3、鐵電體系相變性質(zhì)的研究。由于這一模型參數(shù)較少，可以直接給出居里溫度、極化強(qiáng)度和介電常數(shù)等物理量，并且這些結(jié)果可以與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接定量擬合，因而在處理鐵電材料物理性質(zhì)時(shí)受到了比較廣泛地采用。最初的有效場(chǎng)方法只考慮了偶極相互作用，只能描寫(xiě)二級(jí)鐵電相變的物理特征。如果在有效場(chǎng)中引入高階電偶極矩的貢獻(xiàn)，即極化強(qiáng)度的高階項(xiàng)，這一方法可以拓展到描述一級(jí)鐵電相變。另外通過(guò)加入零點(diǎn)振動(dòng)能而引入量子溫度標(biāo)度，用量子溫度標(biāo)度代替經(jīng)典溫度標(biāo)度，用這一方法可以得

4、到描述量子順電體的介電特征的Barrett公式。 雖然Barrett公式能較好的描述量子順電體的介電常數(shù)隨溫度的變化關(guān)系，但還存在一些與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量符合得不太好的地方，如對(duì)SrTiO3不能在整個(gè)溫度范圍內(nèi)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的相符，對(duì)CaTiO3所得到的居里溫度是一個(gè)物理意義不明確的負(fù)值。雖然已有文獻(xiàn)對(duì)上述問(wèn)題作了研究并提出了解決方法，但缺乏理論上的依據(jù)。本工作主要從理論上找出解決這些問(wèn)題的途徑。已有文獻(xiàn)對(duì)摻雜濃度對(duì)混合體系的介電性質(zhì)

5、的影響作了實(shí)驗(yàn)和理論上的研究，但這方面的研究大多是實(shí)驗(yàn)上的，理論上的研究也只是以兩三種組分為代表，缺乏系統(tǒng)的理論上的定量討論。 本論文主要是在有效場(chǎng)方法框架內(nèi)，通過(guò)零點(diǎn)振動(dòng)能引入量子起伏，對(duì)幾種量子順電體的介電性質(zhì)進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)SrTiO3介電性質(zhì)的研究，假設(shè)SrTiO3的零點(diǎn)振動(dòng)能不是一個(gè)常數(shù)，而是隨溫度的增高由一個(gè)較小值變化到一個(gè)較大值，此時(shí)Barrett公式能在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都與實(shí)驗(yàn)值定量符合得非常好，并且得出了零點(diǎn)振動(dòng)

6、能隨溫度變化的關(guān)系式。把上述結(jié)論應(yīng)用到CaTiO3發(fā)現(xiàn)，不僅Barrett公式能在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都與實(shí)驗(yàn)值符合得非常好，而且得到了具有物理意義的正的居里溫度。通過(guò)討論零點(diǎn)能隨溫度變化的關(guān)系式中各個(gè)參量的變化對(duì)晶體的介電性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)影響晶體鐵電性的主要因素是晶體低溫和較高溫度時(shí)的零點(diǎn)能。當(dāng)晶體在低溫時(shí)具有的零點(diǎn)能大于晶體在較高溫度時(shí)的零點(diǎn)能時(shí)將會(huì)有鐵電相變發(fā)生。 摻雜后的量子順電體的介電行為比較復(fù)雜，隨著摻雜濃度的增加，Sr1

7、-xCaxTiO3體系先后經(jīng)歷了量子順電態(tài)、量子鐵電態(tài)、馳豫性鐵電態(tài)等不同的狀態(tài)。雖然不同狀態(tài)的物理機(jī)制有所不同，但當(dāng)假設(shè)它們的零點(diǎn)振動(dòng)能也象SrTiO3、CaTiO3的零點(diǎn)振動(dòng)能那樣隨溫度變化時(shí)，介電常數(shù)的理論值與實(shí)驗(yàn)值在幾種不同狀態(tài)下都能符合得很好。進(jìn)一步研究組分對(duì)量子起伏的影響的結(jié)果表明，隨著Ca離子濃度的增大，混合體系在較高溫度時(shí)的飽和溫度與低溫時(shí)的飽和溫度的差值△T1、飽和溫度由低溫時(shí)的值變化到較高溫度時(shí)的值的轉(zhuǎn)變溫度Tx和轉(zhuǎn)