鐵電薄膜的靜態(tài)特性及動(dòng)態(tài)介電特性的結(jié)構(gòu)過渡層效應(yīng).pdf

1、鐵電薄膜與體材料相比可以具有良好的壓電、熱釋電、電光、聲光、光折變效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)和高介電系數(shù)等優(yōu)良特性[10]。近十幾年來，鐵電薄膜的制備技術(shù)有了很大的進(jìn)步，極大地拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域的范圍。例如非易失性鐵電存儲(chǔ)器（FERAM）、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）、薄膜電容器、微驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行器、紅外探測器、熱釋電傳感器列陣、光波導(dǎo)器件、光學(xué)顯示及存儲(chǔ)器、空間光調(diào)制器、激光倍頻器等。隨著科技的日益發(fā)展和研究的深入，人們期望基于鐵電薄膜的設(shè)備能夠小

2、型化、高密度和低能量損耗等等。然而，由于制備過程中雜質(zhì)、缺陷、表面和界面應(yīng)力以及不同組分間的界面效應(yīng)等因素，導(dǎo)致鐵電薄膜的物理性質(zhì)與相應(yīng)體材料的不同，有些情況下這種差別非常大。也會(huì)出現(xiàn)新的現(xiàn)象，如尺寸效應(yīng)等。從眾多已經(jīng)發(fā)表的關(guān)于鐵電薄膜制備和性質(zhì)的研究報(bào)告中能夠知道以下問題，所有研究結(jié)果均存在個(gè)體的差異，即使工藝相同、材料成分一樣也是如此。這說明鐵電薄膜的物理性質(zhì)不但與材料和其成分有關(guān)，而且與具體工藝過程細(xì)節(jié)有關(guān)。通過調(diào)研和大量已發(fā)表的

3、研究結(jié)果分析，我們認(rèn)為由于鐵電薄膜與電極之間、不同材料間的界面應(yīng)力以及缺陷都是原生的，實(shí)驗(yàn)的個(gè)體差異就是原生的應(yīng)力及缺陷分布不同所致，它們的存在會(huì)造成薄膜結(jié)構(gòu)的局部差異，結(jié)果會(huì)在薄膜的表面或界面附近產(chǎn)生結(jié)構(gòu)過渡區(qū)，正是這種結(jié)構(gòu)過渡區(qū)對鐵電薄膜性質(zhì)的影響能夠產(chǎn)生較大的影響，甚至可以導(dǎo)致體材料沒有的物理效應(yīng)。因而無論從是科學(xué)認(rèn)識(shí)過程要求和理論發(fā)展的需求，還是為了制備高質(zhì)量、工作穩(wěn)定的更小尺寸的商業(yè)化器件都要求人們做進(jìn)一步的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和理論研究

4、工作。因而對表面或界面過渡層效應(yīng)的基礎(chǔ)研究，不但具有理論研究意義而且具有非常實(shí)際的研究價(jià)值。本論文就是在這樣的背景下，通過引入結(jié)構(gòu)過渡層，研究鐵電薄膜的靜態(tài)性質(zhì)和動(dòng)態(tài)介電性質(zhì)。
　　本文分別采用橫場Ising模型、GLD唯象理論，在平均場近似下研究了鐵電薄膜的極化分布、相變溫度及熱釋電等性質(zhì)的表面過渡層效應(yīng)。
　　在采用橫場 Ising模型的理論研究中，首次引入了層內(nèi)贗自旋相互作用函數(shù)和層間贗自旋相互作用函數(shù)J(m)來表征表

5、面過渡層內(nèi)的結(jié)構(gòu)的不均勻特點(diǎn)。(e)這是對推廣使用橫場Ising模型研究鐵電薄膜的可能產(chǎn)生推動(dòng)作用的主要?jiǎng)?chuàng)新之一。Jma得到新結(jié)論有：（1）鐵電薄膜存在表面過渡層是薄膜性質(zhì)不同于體材料的本質(zhì)原因，而過渡層厚度是影響鐵電薄膜靜態(tài)性質(zhì)的一個(gè)很重要的因素。（2）表面過渡層可以使薄膜的相變溫度高于或低于體材料的相變溫度。在過渡層中層內(nèi)贗自旋相互作用系數(shù)比層間贗自旋相互作用系數(shù)對于體系性質(zhì)的影響要更加顯著。（3）由于表面過渡層（贗自旋相互作用系數(shù)

6、小于相應(yīng)體材料的值情況）的作用，當(dāng)贗自旋相互作用較弱時(shí)，薄膜存在臨界的厚度，如果薄膜的厚度小于臨界厚度時(shí)鐵電薄膜的鐵電性將消失。
　　為了探討結(jié)構(gòu)過渡層對鐵電超晶格、多層鐵電薄膜性質(zhì)的影響，論文研究了對在界面附近存在結(jié)構(gòu)過渡區(qū)和在界面處兩組分存在鐵電耦合的雙層鐵電薄膜的性質(zhì)進(jìn)行了理論探討。在這種構(gòu)型的鐵電復(fù)合薄膜研究中，論文首次把結(jié)構(gòu)過渡層引入研究中，為深入了解這種構(gòu)型的鐵電復(fù)合薄膜的奇異特性產(chǎn)生的物理機(jī)制提出了新的認(rèn)識(shí)方向。為使

7、結(jié)果具有普適性，采用了GLD唯象理論。得到以下主要結(jié)論是：在界面間界耦合為鐵電耦合的情況下，界面間界耦合有利于薄膜處于鐵電相，而結(jié)構(gòu)過渡層對系統(tǒng)的鐵電性有抑制作用。在這種構(gòu)型的情況下，鐵電雙層膜將存在一個(gè)兩種相互抵制作用的平衡點(diǎn)。鐵電雙層膜性質(zhì)奇異的反常行為表現(xiàn)是源于結(jié)構(gòu)過渡層和界面間耦合之間的競爭偏離平衡點(diǎn)。例如當(dāng)體系處于界面間界耦合的作用小于結(jié)構(gòu)過渡層時(shí)狀態(tài)時(shí)，可能產(chǎn)生尺寸驅(qū)動(dòng)的相變。反之，不能發(fā)生尺寸驅(qū)動(dòng)的相變。
　　論文首

8、次在平均場近似理論框架下，討論表面結(jié)構(gòu)過渡層對薄膜的動(dòng)態(tài)介電常數(shù)的影響，得到如下結(jié)論：（1）晶格振動(dòng)阻尼作用是降低相對介電常數(shù)實(shí)部和虛部的峰值，并且拓寬峰寬。（2）結(jié)構(gòu)過渡層能使相對介電常數(shù)的實(shí)部和虛部的峰值的溫度位置向低溫區(qū)移動(dòng)，軟模頻率將隨著結(jié)構(gòu)過渡層影響的增加而降低。
　　本論文是在熱力學(xué)宏觀理論和平均場近似理論的框架下，研究了鐵電薄膜的靜態(tài)性質(zhì)和動(dòng)態(tài)性質(zhì)，以及鐵電雙層薄膜的極化分布和相變性質(zhì)。所取得的結(jié)果和結(jié)論豐富了鐵電薄