多晶材料鐵電熱電性質(zhì)的蒙特卡羅模擬.pdf

1、晶粒長(zhǎng)大是純金屬、合金、陶瓷等多晶材料中最普遍的晶粒生長(zhǎng)現(xiàn)象，對(duì)材料的各種物理化學(xué)性能有重要影響。對(duì)大多數(shù)多晶材料而言，晶粒尺寸大小及均勻性是決定其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一。因此，系統(tǒng)的研究多晶材料晶粒長(zhǎng)大過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)，以及晶粒形貌對(duì)其各種物理性能的影響具有重要的理論和工程意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多材料研究者利用能量模型蒙特卡羅方法模擬晶粒生長(zhǎng)過(guò)程的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟了，不僅獲得了晶粒尺寸變化的信息，而且可以直觀的觀察到晶粒形貌的演變

2、過(guò)程。因此，為進(jìn)一步研究晶粒形貌對(duì)多晶材料性能的影響及其變化規(guī)律奠定了良好的理論技術(shù)基礎(chǔ)。 二十一世紀(jì)是新技術(shù)和新材料飛速發(fā)展的世紀(jì)。鐵電材料不僅是重要的電子功能材料，而且被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的智能基礎(chǔ)材料，在傳感器和光調(diào)制器等高性能微電子、光電子集成器件方面有著廣泛的研究和應(yīng)用，受到了材料科學(xué)、物理學(xué)、微電子學(xué)和信息科學(xué)等眾多領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注。與鐵電單晶相比，鐵電陶瓷具有制備容易、成本低廉、化學(xué)成份可進(jìn)行調(diào)整以及可做成任意形狀的

3、制品等優(yōu)點(diǎn)；另一方面，因?yàn)殍F電陶瓷是燒結(jié)而成的多晶體，不是理想的單晶狀態(tài)，存在晶粒間界、雜質(zhì)、晶體缺陷等，所以可以通過(guò)控制晶粒間界、雜質(zhì)、晶體缺陷等手段獲得理想單晶狀態(tài)所不具有的性能。自二十世紀(jì)八十年代出現(xiàn)納米材料以后，多晶鐵電材料的尺寸效應(yīng)就引起了人們的注意，受晶粒尺寸及組成影響的鐵電體的疇結(jié)構(gòu)是影響其物理性質(zhì)的一個(gè)重要方面。對(duì)鐵電體性能和尺寸關(guān)系的研究不僅是一個(gè)理論上感興趣的問(wèn)題，而且具有實(shí)際應(yīng)用的意義，現(xiàn)已成為材料科學(xué)中一個(gè)倍受重

4、視的課題。迄今為止，還未見(jiàn)在模擬多晶鐵電材料晶粒生長(zhǎng)過(guò)程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)其物理性質(zhì)進(jìn)行模擬研究的報(bào)道。 熱電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能和熱能直接相互轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體功能材料。在熱電發(fā)電和制冷、恒溫控制與溫度測(cè)量以及各種傳感器件等領(lǐng)域具有極為廣闊的應(yīng)用前景。但是，與傳統(tǒng)的制冷和發(fā)電技術(shù)相比，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)由于其相對(duì)較低的轉(zhuǎn)換效率而在應(yīng)用上受到一定的限制，因此，對(duì)多晶熱電材料的熱電性能進(jìn)行研究以提高其熱電轉(zhuǎn)換效率具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。限域效應(yīng)是

5、通過(guò)多個(gè)界面（這里可以看作晶界）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以有效地降低聲子在某些方向的傳播從而降低熱導(dǎo)率，界面效應(yīng)對(duì)聲子散射也通常用來(lái)降低熱導(dǎo)率。如何利用限域效應(yīng)和界面效應(yīng)的協(xié)同提高多晶熱電材料的熱電性能是本工作的研究重點(diǎn)。 隨著計(jì)算材料科學(xué)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬已逐漸成為除了實(shí)驗(yàn)和理論之外，對(duì)材料微觀組織演化及微觀組織設(shè)計(jì)研究的另一個(gè)重要手段。鑒于對(duì)多晶材質(zhì)性能模擬的重要性，本論文首次基于Potts-Ising模型利用蒙特卡羅方法，首先模擬了多

6、晶材質(zhì)的晶粒生長(zhǎng)過(guò)程，進(jìn)而研究了包括晶粒尺寸在內(nèi)的多種因素對(duì)多晶鐵電材料的鐵電以及介電性質(zhì)等的影響，此外，本論文還對(duì)多晶熱電材料的熱電性質(zhì)進(jìn)行了模擬研究。 第一章主要介紹了本論文的選題意義及研究概況。首先簡(jiǎn)要地介紹了晶粒生長(zhǎng)過(guò)程的研究意義和模擬方法，著重介紹了蒙特卡羅方法和本論文所采用的Potts-Ising模型。通過(guò)對(duì)兩種改進(jìn)的晶粒生長(zhǎng)的蒙特卡羅模擬方法的比較，得到了更為準(zhǔn)確地反映近穩(wěn)態(tài)晶粒長(zhǎng)大特征的策略，且進(jìn)一步提高了模擬效

7、率。本章的后半部分首先介紹了近幾年來(lái)對(duì)鐵電材料的鐵電介電性能及熱電材料的熱電性能進(jìn)行模擬研究的現(xiàn)狀，由于大部分研究工作是針對(duì)單晶和薄膜的情況，所以本章介紹了多晶材料物理性質(zhì)模擬的意義，從而給出了本論文的選題和研究?jī)?nèi)容。最后一部分通過(guò)一個(gè)例子-利用蒙特卡羅方法確定伊辛帶的寬度閾值-來(lái)驗(yàn)證方法和模擬程序的可靠性。 第二章利用發(fā)展的Potts-Ising模型蒙特卡羅方法對(duì)正常多晶鐵電陶瓷和存在偶極缺陷的多晶鐵電陶瓷的極化反轉(zhuǎn)過(guò)程分別進(jìn)

8、行了模擬研究。首先給出了利用Potts模型得到的多晶鐵電陶瓷的晶粒形貌圖，其疇結(jié)構(gòu)，電滯回線和開(kāi)關(guān)電流的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。對(duì)于正常多晶鐵電陶瓷，主要模擬了外界條件（溫度，外加電場(chǎng)幅值及頻率）對(duì)電滯回線的影響情況。發(fā)現(xiàn)溫度的升高使得鐵電陶瓷的剩余極化和矯頑場(chǎng)顯著降低，鑒于此可以根據(jù)溫度對(duì)電滯回線的影響粗略地確定居里溫度；外電場(chǎng)的頻率越高或者其幅值越大，需要做的功也會(huì)越多，從而導(dǎo)致電滯回線的面積不斷增大。模擬結(jié)果還表明隨著晶粒尺

9、寸的增加，鐵電陶瓷的疇結(jié)構(gòu)逐漸由單疇演化為多疇結(jié)構(gòu)。此外，剩余極化強(qiáng)度和矯頑場(chǎng)也會(huì)隨著晶粒尺寸的增大而增加。進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，小晶粒尺寸的鐵電陶瓷在極化反轉(zhuǎn)過(guò)程會(huì)出現(xiàn)更多的新疇成核，這也正是平均晶粒尺寸小的鐵電陶瓷矯頑場(chǎng)相對(duì)較小的原因。體系中缺陷的引入不僅降低了剩余極化強(qiáng)度，同時(shí)也降低了矯頑場(chǎng)。對(duì)極化反轉(zhuǎn)過(guò)程的疇結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)在多晶形態(tài)還存在不同于傳統(tǒng)意義的特殊疇結(jié)構(gòu)，這里稱之為“擴(kuò)展疇”。擴(kuò)展疇的范圍可以包括幾個(gè)晶粒，這幾個(gè)晶粒中的

10、極化強(qiáng)度方向大致沿外加電場(chǎng)的方向。正常多晶鐵電陶瓷中新疇成核主要出現(xiàn)在晶界處，當(dāng)系統(tǒng)中引入缺陷時(shí)，新疇成核更易于出現(xiàn)在缺陷處。缺陷濃度和平均晶粒尺寸對(duì)開(kāi)關(guān)電流也有一定的影響，缺陷濃度的增加和平均晶粒尺寸的減小都會(huì)降低開(kāi)關(guān)電流的峰值，但對(duì)回轉(zhuǎn)電流的影響相對(duì)較不明顯。 第三章利用蒙特卡羅方法Potts-Ising偶極玻璃模型，研究了一類具有特殊性質(zhì)的多晶鐵電材料．弛豫鐵電體的物理性質(zhì)。本章主要研究了晶粒尺寸效應(yīng)，外加交變電場(chǎng)幅值及頻

11、率對(duì)介電常數(shù)的影響。模擬結(jié)果表明，隨著平均晶粒尺寸的增大或隨著交變電場(chǎng)頻率的減小或其幅值的減小，介電常數(shù)都會(huì)增大，同時(shí)，介電常數(shù)達(dá)到最大值時(shí)的溫度Tm會(huì)移向較低的溫度處，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的很好。此外，由類居里外斯定律得到的弛豫系數(shù)γ進(jìn)一步論證了弛豫鐵電體的弛豫性。通過(guò)比較弛豫鐵電體和正常鐵電體在極化反轉(zhuǎn)過(guò)程中的疇演化圖發(fā)現(xiàn)，它們的主要區(qū)別在于新疇成核的數(shù)量，當(dāng)電場(chǎng)反向時(shí)，弛豫鐵電體中新疇成核的數(shù)量要比正常鐵電體中的多得多。另外，在疇長(zhǎng)大的

12、過(guò)程中，正常鐵電體中的新疇是一個(gè)接一個(gè)的長(zhǎng)大，而在弛豫鐵電體中，多數(shù)新成核的疇?zhēng)缀跏峭瑫r(shí)長(zhǎng)大。 在第四章中，發(fā)展了一種研究多晶體系電子態(tài)以及熱電性質(zhì)的蒙特卡羅、才算方法。首先利用Potts模型蒙特卡羅方法模擬多晶材質(zhì)圖案的演化過(guò)程，再由此利用模型序參量構(gòu)造晶界的勢(shì)函數(shù)，用近自由電子近似構(gòu)造體系的哈密頓量，求解薛定諤方程得到體系的本征態(tài)。通過(guò)電荷密度的分布研究電子的限域特征。分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于晶界為勢(shì)壘的情況，電子的基態(tài)出現(xiàn)在最

13、大晶粒中。由求得的本征能級(jí)和波函數(shù)可以計(jì)算出溫差導(dǎo)致的電位差，即得到賽貝克系數(shù)隨溫度的變化。模擬結(jié)果表明以晶界為勢(shì)壘的多晶體系的賽貝克系數(shù)要高于以晶界為勢(shì)阱的多晶體系。進(jìn)一步研究了平均晶粒尺寸對(duì)賽貝克系數(shù)和電導(dǎo)率的影響，賽貝克系數(shù)隨著平均晶粒尺寸的增大而減??；模擬得到的電導(dǎo)率與晶界勢(shì)壘的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系表明晶界勢(shì)壘高的地方電導(dǎo)率低；電導(dǎo)率隨著平均晶粒尺寸的增大而增大，隨著外場(chǎng)強(qiáng)度的增加而減小，得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本一致。通過(guò)分析說(shuō)明平均晶粒尺