鐵電納米結構中退極化場屏蔽機理的多尺度研究.pdf

1、鐵電材料在功能器件、智能結構等領域有著廣泛的應用。隨著器件的小型化和微型化，鐵電材料納米結構的研究受到了學術界和工業(yè)界越來越多的關注。其中，退極化場的消除機理關系到鐵電材料的尺寸效應（區(qū)別于塊體材料的特殊性質，例如，納米尺寸下的電疇形貌），臨界尺寸（小于臨界尺寸鐵電性將消失）等問題。因此，對退極化場消除機理的研究不僅對物理、材料領域的基礎研究有著重要的學術意義，而且對工業(yè)應用等也可以給出重要的指導。本文主要利用第一性原理計算，在不同的力

2、學、電學邊界條件下，探索和討論了多種退極化場的屏蔽機理。同時，以相場模擬方法作為第一性原理計算的外延，討論較大尺寸的鐵電納米結構。
　　(1)本文討論的第一種退極化場屏蔽機理為“多疇結構”。多疇結構盡可能的減少了極化在自由表面的不連續(xù)性，降低了退極化場的強度，因而可以在電疇內部保持鐵電極化。通過對PbTiO3無約束薄膜的模擬，我們討論了其穩(wěn)定的閉合電疇結構。并且通過和BaTiO3薄膜的比較，解釋了PbTiO3納米薄膜中鐵電臨界厚度

3、消失的機理。研究發(fā)現(xiàn)，應變梯度起了重要的作用。為了驗證這一點，我們設計了BaTiO3納米管的算例，并在其中驗證了上述機理所預測的撓曲電效應。
　　(2)在無約束鐵電薄膜中，本文進一步利用相場模擬方法，在更大尺寸范圍內針對鐵電薄膜中帶狀180°電疇結構的Kittel law和generalized scaling law，做了探索性的研究。相場模擬方法作為一種連續(xù)介質理論，高度依賴于其采用的能量形式和參數(shù)。然而，其梯度能系數(shù)在以往的

4、文獻中并不確定，只是限于一個取值范圍。本文結合以上兩點，在帶狀180°電疇結構的模擬中考慮了不同的梯度能系數(shù)，以揭示其對Kittel law的影響。并且，通過進一步考慮疇壁厚度，在數(shù)值計算的層面上驗證并討論了generalized scaling law。
　　(3)本文闡述的第二種退極化場屏蔽機理為“二維電子氣”?；贚aAlO3/SrTiO3界面上二維電子氣的實驗發(fā)現(xiàn)，本文嘗試將其與鐵電薄膜相結合，利用鐵電極化來代替極性材料（

5、例如LaAlO3）中的內在極化，并且從熱力學模型預測出了該機理的可行性。根據(jù)熱力學模型，當鐵電薄膜的厚度大于臨界厚度時，二維電子氣可以穩(wěn)定存在于薄膜的界面或表面，并幾乎完全抵消了退極化場，從而穩(wěn)定了鐵電薄膜中的面外單疇構型。根據(jù)這一預測，本文對PbTiO3/SrTiO3異質結構進行了第一性原理計算，計算結果證實了該機理。
　　(4)本文討論的第三種退極化場屏蔽機理為“金屬電極”。已有的實驗就多鐵性隧穿結Fe/BaTiO3/Fe的界