晶體取向相關的低維鐵電材料物理性能的研究.pdf

1、近年來，鐵電薄膜、鐵電納米線、鐵電納米柱以及鐵電納米顆粒等低維鐵電材料由于具有多種優(yōu)異的物理性能，如介電性、壓電性、熱釋電性和光電性等，在鐵電存儲器、紅外探測器、高頻電容器、納米傳感器及納米發(fā)電機等微納器件上具有十分廣泛的應用。近期實驗研究表明，除了通過施加傳統(tǒng)的電場、外力等來改變鐵電材料的物理性能以外，還可以通過制備擇優(yōu)取向的鐵電材料來提高其性能，晶體取向對低維鐵電材料如鐵電薄膜和鐵電納米線的物理性能影響更為明顯。對于（001）取向的

2、低維鐵電材料物理性能的研究，無論是實驗方面還是理論方面都已十分成熟，然而對于其它晶體取向低維鐵電材料性能的研究還十分匱乏，現(xiàn)有的結果基本都是基于實驗的定性分析，缺乏深入的機理性研究。
　　本文利用非線性的Landau-Ginsburg-Devonshire（LGD）熱力學理論結合低維鐵電材料的力學邊界條件建立了適用于不同晶體取向的單晶單疇和單晶多疇鐵電薄膜的有效能表達式，從理論上預報了晶體取向對鐵電薄膜物理性能的調控。利用相場模型

3、，分別從宏觀和微觀上分析了不同晶體取向對于鐵電單晶薄膜、多晶鐵電薄膜和鐵電納米柱物理性能的影響。主要研究工作如下：
　?。?）對于外延（110）和（111）取向的BaTiO3（BTO）和PbTiO3（PTO）單晶鐵電薄膜，建立了對應晶體取向下的熱力學單疇模型，計算并分析了晶體取向、應變和溫度對單晶單疇鐵電薄膜物理性能（電極化、相變溫度、相圖、介電性能和壓電性能）的影響。
　　（2）根據(jù)LGD熱力學理論，考慮密排多疇模型，建立

4、了（110）和（111）取向的BTO單晶多疇鐵電薄膜的有效能表達式，計算并分析了晶體取向、應變和溫度對于單晶多疇鐵電薄膜物理性能（電極化、相變溫度、相圖、介電性能和壓電性能）的影響。利用相場模型分析了不同晶體取向下的單晶 BTO鐵電薄膜在不同溫度和應變下疇結構的演變過程，通過與 LGD熱力學理論得到的結果進行比較，定性和定量的分析結果的合理性和一致性。
　　（3）建立（110）和（111）取向的多晶多疇鐵電薄膜的相場模型，計算分析

5、了不同取向、應變和電場對于（110）和（111）取向下PTO多晶薄膜的疇結構、電極化、介電性能和壓電性能的影響。
　　（4）對于（001）、（110）和（111）取向的單晶鐵電納米柱，利用相場模型分析了不同取向下結合不同應變和溫度對于PTO納米柱的疇結構、電極化、電熱效應的影響。
　　綜上所述，晶體取向對于鐵電薄膜、鐵電納米柱等低維鐵電材料的物理性能具有十分重要的影響，通過晶體取向結合應變、溫度、電場等能有效地優(yōu)化鐵電材料的