外場作用下的鐵電薄膜相變及電疇翻轉.pdf

1、鐵電薄膜因其具有獨特的鐵電性、壓電性、介電性、熱釋電性以及非線性光學等性能，在現代微電子、微機電系統(tǒng)(MEMS)、信息存儲等方面有著廣泛的應用前景，已經成為當前新型功能材料研究的熱點之一。一方面，研究鐵電薄膜性質的兩種重要的實驗手段——壓痕儀與掃描力顯微鏡(SFM)，都會給薄膜表面帶來外場。鐵電薄膜在外場作用下的相變，與其物理性質有著密切的關系，成為目前國際上高度關注的研究課題。另一方面，鐵電薄膜的不均勻性和機械約束使鐵電體呈電疇結構。

2、電疇的結構、類型、大小及其運動規(guī)律決定了鐵電體的物理性質和應用方向。鐵電疇的實時觀測是我們了解鐵電薄膜許多性質的基礎。本文從理論上研究了鐵電薄膜在外場作用下的相變、介電及壓電性質的變化，在實驗上用掃描探針顯微鏡(SPM)實時觀測鐵電薄膜的電疇，并將實驗與理論上的結果進行了比較。主要內容有：
　　 1、用非線性熱力勢函數，研究了外加應力及組分對生長在立方基底外延單疇Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)薄膜的相圖及物理性質的影響。

3、通過數值計算，得到了PZT薄膜在不同組分(x=0.4，0.5，0.6，0.7，0.8和0.9)下的“外加應力-失配應變”相圖。由相圖可知，外加應力可以使薄膜發(fā)生鐵電相變。在室溫下，外加壓應力能使薄膜的鐵電相轉變到順電相。在薄膜的四方相(c相)和正交(aa相)之間存在一個膜平面內外都有非零極化分量的單斜(r)相，其在相圖上的穩(wěn)定范圍隨著Ti組分的增加而縮小。薄膜的介電系數和壓電系數對相變非常的敏感。施加一個適當的外加應力，可以大幅度提高介

4、電和壓電系數。利用理論計算的結果，解釋了壓痕儀和掃描力電鏡研究鐵電薄膜時所觀察到的實驗現象。
　　 2、對描述生長在立方基底上的外延單疇鐵電薄膜的熱力勢函數進行了改進，用來研究生長在正交基底上鐵電薄膜在外加應力作用下的相變及物理性質。正交基底能引起鐵電薄膜與基底界面處的非等軸失配應變。通過計算，得到了生長在正交基底上的PbTiO3 (PT)和BaTiO3 (BT)鐵電薄膜的“失配應變-外加應力”和“外加應力-溫度”相圖。從相圖上

5、得知，外加應力可以改變薄膜的自發(fā)極化的極化方向及強度。在外加應力的作用下，對自發(fā)極化的穩(wěn)定性進行了研究，這直接關系到鐵電薄膜的應用范圍。在室溫下，生長在立方基底上的鐵電薄膜在應力的作用下能發(fā)生鐵電相到順電相的轉變，而對生長在正交基底上的鐵電薄膜，這種相變被抑制了。鐵電薄膜與基底界面處的非等軸失配應變導致薄膜出現了新的相。這些新的相有：自發(fā)極化方向平行于膜面內單胞軸的ai(I=1，2)相,膜面內外都有極化的r相。鐵電薄膜的介電和壓電響應對