鐵電薄膜相變性質(zhì)的橫向尺寸效應(yīng).pdf

1、鐵電薄膜作為一種重要的功能材料，因具有壓電性、鐵電性、熱釋電性和高介電系數(shù)等優(yōu)良特性，受到人們的廣泛關(guān)注。目前，鐵電動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度主要是由每個(gè)單元內(nèi)電容的面積所決定的。因此，深入探討電容橫向尺寸（或面積）的變化對(duì)鐵電薄膜性質(zhì)的影響成為當(dāng)前的熱點(diǎn)問(wèn)題。此外，雜質(zhì)、缺陷以及表面和界面應(yīng)力等因素是在鐵電薄膜制備過(guò)程中不可避免的，它們會(huì)造成薄膜結(jié)構(gòu)的局部差別，并在薄膜的表面或界面附近形成結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)。結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)會(huì)對(duì)鐵電薄膜的性質(zhì)產(chǎn)生

2、較大的影響，使其物理性質(zhì)不同于相應(yīng)的體材料。因此，本文基于橫場(chǎng)Ising模型，利用費(fèi)米型格林函數(shù)方法研究了薄膜尺寸（橫向尺寸和厚度）和橫向結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)對(duì)有限尺寸鐵電薄膜相變、介電和熱釋電性質(zhì)的影響。
　　本文建立了含有結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)有限尺寸鐵電薄膜的理論模型，引入最近鄰贗自旋二體相互作用的分布函數(shù)來(lái)表征薄膜結(jié)構(gòu)的不均勻性，并利用費(fèi)米型格林函數(shù)計(jì)算了二級(jí)相變鐵電薄膜的平均極化強(qiáng)度和相變溫度，詳細(xì)地討論了薄膜尺寸和橫向結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)對(duì)其相變性質(zhì)

3、的影響。研究表明，橫向結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)僅影響薄膜的平均極化強(qiáng)度，而不影響其相變溫度，擴(kuò)大橫向結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)和削弱該區(qū)域內(nèi)最近鄰贗自旋二體相互作用不利于增大薄膜的平均極化強(qiáng)度。對(duì)于尺寸一定的二級(jí)相變鐵電薄膜，增強(qiáng)薄膜中心區(qū)域的最近鄰贗自旋二體相互作用不但可以增大薄膜的平均極化強(qiáng)度還可以提高其相變溫度。此外，薄膜的平均極化強(qiáng)度和相變溫度也與其橫向尺寸和厚度有關(guān)。在薄膜中心區(qū)域最近鄰贗自旋二體相互作用一定的情況下，二級(jí)相變鐵電薄膜的平均極化強(qiáng)度和相變溫

4、度均隨著薄膜橫向尺寸和厚度的增大而提高。
　　針對(duì)有限尺寸二級(jí)相變鐵電薄膜，本文進(jìn)一步研究了薄膜的介電和熱釋電性質(zhì)。研究表明，橫向結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)對(duì)于有限尺寸二級(jí)相變鐵電薄膜的介電和熱釋電性質(zhì)也有顯著的影響。擴(kuò)大橫向結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)和削弱該區(qū)域內(nèi)最近鄰贗自旋二體相互作用是提高二級(jí)相變鐵電薄膜極化率和熱釋電系數(shù)的有效途徑。對(duì)于尺寸一定的二級(jí)相變鐵電薄膜，增強(qiáng)薄膜中心區(qū)域的最近鄰贗自旋二體相互作用不但可以使薄膜的介電峰和熱釋電峰向高溫區(qū)方向移動(dòng)，

5、而且還可以減小其臨界橫向尺寸。當(dāng)薄膜中心區(qū)域的最近鄰贗自旋二體相互作用一定時(shí)，小尺寸薄膜的極化率和熱釋電系數(shù)受薄膜橫向尺寸變化的影響較大。
　　通過(guò)引入贗自旋四體相互作用，利用費(fèi)米型格林函數(shù)還研究了薄膜尺寸和橫向結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)對(duì)一級(jí)相變鐵電薄膜相變性質(zhì)的影響。同時(shí)引入贗自旋二體和四體相互作用的分布函數(shù)來(lái)表征薄膜的結(jié)構(gòu)變化。研究表明，薄膜能夠發(fā)生一級(jí)相變主要源自贗自旋四體相互作用，且臨界贗自旋四體相互作用會(huì)隨著薄膜橫向尺寸和厚度的增大而

6、減弱。擴(kuò)大橫向結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)和削弱該區(qū)域內(nèi)贗自旋四體相互作用都可以降低薄膜的平均極化強(qiáng)度，而不影響其相變溫度。薄膜尺寸和薄膜中心區(qū)域的贗自旋四體相互作用是影響一級(jí)相變鐵電薄膜相變性質(zhì)的重要因素。當(dāng)薄膜中心區(qū)域的贗自旋四體相互作用一定時(shí)，薄膜的平均極化強(qiáng)度和相變溫度均隨著薄膜橫向尺寸和厚度的增大而提高。對(duì)于尺寸一定的一級(jí)相變鐵電薄膜，增強(qiáng)薄膜中心區(qū)域的贗自旋四體相互作用可以增大薄膜的平均極化強(qiáng)度并提高其相變溫度。
　　對(duì)于有限尺寸一級(jí)相

7、變鐵電薄膜，本文還進(jìn)一步研究了薄膜的介電和熱釋電性質(zhì)，并詳細(xì)地討論了橫向結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)、薄膜尺寸和贗自旋四體相互作用對(duì)于薄膜極化率和熱釋電系數(shù)的影響。研究表明，擴(kuò)大橫向結(jié)構(gòu)過(guò)渡區(qū)和削弱該區(qū)域內(nèi)贗自旋四體相互作用均可提高一級(jí)相變鐵電薄膜的極化率和熱釋電系數(shù)。而且，有限尺寸一級(jí)相變鐵電薄膜的介電和熱釋電性質(zhì)還與薄膜尺寸和薄膜中心區(qū)域的贗自旋四體相互作用有關(guān)。當(dāng)薄膜的尺寸一定時(shí)，增強(qiáng)薄膜中心區(qū)域的贗自旋四體相互作用可以使薄膜的介電峰和熱釋電峰向高