鐵電材料納米尺寸和表面效應(yīng)及其性能與應(yīng)用研究.pdf

1、由于鐵電材料在光學(xué)器件、感應(yīng)器件、微波器件以及高密度非揮發(fā)性存儲(chǔ)器件等工程領(lǐng)域巨大的應(yīng)用前景，近年來研究人員對鐵電薄膜、鐵電納米線、鐵電納米管及多重鐵性薄膜等納米尺度下的鐵電材料進(jìn)行了大量的研究。鐵電材料的相關(guān)性能依賴于很多因素，例如材料所處的溫度、邊界條件、尺寸大小、表面效應(yīng)、外加電場以及外延應(yīng)力等等。大量的研究報(bào)道了關(guān)于以上各種因素對于納米尺度鐵電材料關(guān)鍵性能的影響，使得鐵電材料的納米尺寸效應(yīng)及其相關(guān)性能和應(yīng)用研究成為目前納米科學(xué)研

2、究的熱點(diǎn)。
　　本論文主要集中在鐵電材料處于納米尺度條件下尺寸變化對其相關(guān)性能的影響。同時(shí)，論文也關(guān)注如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到人為控制鐵電材料工程性能的目的，從而使納米尺度鐵電材料擁有更為理想的應(yīng)用前景。以下是本論文研究涉及的主要思路、研究方法和相關(guān)結(jié)論：
　　(1)基于TimeDependentGinzburg-Landau（TDGL）方程，運(yùn)用分叉理論及穩(wěn)定性分析方法研究鐵電薄膜相變的臨界條件?？紤]退極化場、表面效應(yīng)及自發(fā)應(yīng)

3、變等因素的影響，建立了以薄膜厚度、失配應(yīng)變及外推長度為變量的鐵電薄膜相變溫度及臨界厚度解析表達(dá)式。同時(shí)，運(yùn)用數(shù)值模擬方法確定了鐵電薄膜相變級數(shù)及升溫和降溫過程中相變溫度的差異。綜合分析薄膜厚度、失配應(yīng)變及外推長度對鐵電薄膜相變行為的影響。為了驗(yàn)證熱力學(xué)模型的正確性，運(yùn)用基于第一性原理的Shell-Model分子動(dòng)力學(xué)方法對鐵電薄膜在表面效應(yīng)影響下的極化分布進(jìn)行了模擬計(jì)算。給出極化的分布及外推長度與溫度之間的關(guān)系。
　　(2)針對鐵

4、電納米線和納米管的熱力學(xué)模型及極化演化的動(dòng)態(tài)模型做穩(wěn)定性分析，推導(dǎo)了關(guān)于鐵電納米線及納米管的相變溫度、極化及Curie-Weiss關(guān)系的解析表達(dá)式。證明了鐵電納米線和納米管的性能依賴于納米線和納米管的表面張力，即表面張力對鐵電納米線和納米管的相變溫度及極化有明顯的增強(qiáng)作用?？紤]到表面張力和表面邊界的共同影響，分析結(jié)果表明了在鐵電納米線和納米管中，存在臨界半徑和臨界壁厚。通過第一性原理計(jì)算方法分析了基態(tài)條件下鐵電納米線的相關(guān)性能，其結(jié)果也

5、驗(yàn)證了熱力學(xué)模型對鐵電納米線和納米管的分析。
　　(3)依據(jù)熱力學(xué)理論及彈性Timosheko力學(xué)方法，建立了鐵電薄膜及柔性襯底系統(tǒng)的界面失配位錯(cuò)的生成機(jī)理模型。分析結(jié)果表明鐵電薄膜中極化的產(chǎn)生很大程度上改變了界面位錯(cuò)生成的臨界厚度。通過數(shù)值模擬計(jì)算，討論了形成的失配位錯(cuò)如何影響鐵電的性能，如對極化分布、居里溫度、介電常數(shù)及極化反轉(zhuǎn)等性能的影響。結(jié)果表明界面位錯(cuò)的產(chǎn)生明顯的消弱了薄膜的整體鐵電性能。
　　(4)基于熱力學(xué)理論

6、及穩(wěn)定性分析，求解了沉積在有限厚度襯底上鐵電薄膜的相變溫度的解析表達(dá)式。分析表明，通過改變薄膜及襯底厚度的比率可以達(dá)到控制鐵電薄膜的相變溫度的目的。同時(shí)，討論了有限襯底對鐵電薄膜相變性能的影響，結(jié)果表明襯底厚度的改變不僅影響鐵電薄膜的極化及相變溫度等性能，也會(huì)改變鐵電薄膜相變級數(shù)。以熱力學(xué)及彈性力學(xué)模型為基礎(chǔ)，分析了鐵電/順電復(fù)合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的鐵電性能及壓電彎曲行為。發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)鐵電/順電的厚度比率，可以設(shè)計(jì)出小電場作用下的大彎曲變形系統(tǒng)。

7、
　　(5)根據(jù)熱力學(xué)及彈性力學(xué)理論，論文建立了1-3型多重鐵性薄膜的自由能模型?？紤]鐵電相與鐵磁相以及多重鐵性薄膜與襯底之間的失配應(yīng)變因素，給出了以組分比率為變量的鐵電/鐵磁相變溫度的解析表達(dá)式。另外，考慮多重鐵性薄膜的磁電耦合效應(yīng)，論文建立了梯度多重鐵性薄膜的分析模型。通過求解表明梯度多重鐵性薄膜不僅擁有非對稱電滯回線性能以及熱電性能，同時(shí)也擁有非對稱磁滯回線性能及熱磁性能。
　　(6)根據(jù)Liapunov穩(wěn)定性理論，建

8、立了穩(wěn)定性方程，并計(jì)算了180o鐵電疇穩(wěn)定狀態(tài)下的尺寸相圖，確定了鐵電薄膜中180o鐵電疇穩(wěn)定狀態(tài)下的最小尺寸以及鐵電疇穩(wěn)定尺寸。預(yù)報(bào)了鐵電薄膜在鐵電存儲(chǔ)應(yīng)用方面所能達(dá)到的存儲(chǔ)容量極限。
　　(7)基于Landau-Ginsburg-Davenshire熱力學(xué)理論，建立了考慮梯度力電耦合效應(yīng)的自由能模型。研究了由于薄膜內(nèi)梯度外延應(yīng)變所引起的薄膜性能的變化。發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)鐵電薄膜上、下襯底的類型達(dá)到控制鐵電薄膜內(nèi)部極化分布以及鐵電薄膜