鐵電薄膜壓電非線性的理論研究.pdf

1、隨著集成技術(shù)的不斷發(fā)展,微型存儲(chǔ)器、驅(qū)動(dòng)器得到越來越多的重視。鐵電薄膜具有諸多優(yōu)異性能,如低電場(chǎng)下的極化反轉(zhuǎn)、較高的介電系數(shù)和介電可調(diào)性、較大的壓電效應(yīng)等,在鐵電存儲(chǔ)器件及微型傳感驅(qū)動(dòng)器件中都有廣泛的應(yīng)用。由于鐵電薄膜受到襯底應(yīng)力效應(yīng)、表面效應(yīng)、退極化場(chǎng)效應(yīng)和尺寸效應(yīng)的影響,其物理性能與相應(yīng)的塊體性能有顯著的差異。其中常用的鋯鈦酸鉛系列壓電材料由于其制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、物理性能優(yōu)異,而受到廣泛關(guān)注。但目前考慮襯底應(yīng)變、表面效應(yīng)、尺寸

2、效應(yīng)等對(duì)鋯鈦酸鉛系列薄膜的物理性能的影響還沒有全面的研究。本文利用唯象理論,詳細(xì)對(duì)比表面能、退極化場(chǎng)、錯(cuò)配應(yīng)變等對(duì)鐵電體自由能方程的貢獻(xiàn),采用與時(shí)間有關(guān)的金茲堡-朗道方程求解薄膜內(nèi)電極化強(qiáng)度分布及響應(yīng)的介電和壓電性能。本文主要內(nèi)容包括:
　　(1)基于朗道理論,構(gòu)建了鐵電體及薄膜系統(tǒng)的自由能方程,并對(duì)方程進(jìn)行修正,引入了表面能、錯(cuò)配應(yīng)力項(xiàng)、退極化場(chǎng)項(xiàng)和靜電能項(xiàng)。利用差分法求解依賴時(shí)間的金茲堡-朗道動(dòng)力學(xué)方程,獲得極化強(qiáng)度穩(wěn)定解。<

3、br>　　(2)對(duì)鐵電塊體的電極化強(qiáng)度、介電系數(shù)及壓電系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了理論推導(dǎo)。通過分析鐵電塊體的組分、外界溫度及外加電場(chǎng),獲得了這些因素對(duì)塊體中鐵電極化、壓電效應(yīng)等的影響。
　　(3)通過對(duì)塊體自由能函數(shù)進(jìn)行修正,對(duì)較厚薄膜僅考慮襯底錯(cuò)配應(yīng)變的影響,分析了鐵電極化性能、介電性能和壓電性能,并與塊體的物理性能進(jìn)行對(duì)比,總結(jié)錯(cuò)配應(yīng)力對(duì)薄膜性質(zhì)的影響;對(duì)于較薄薄膜,通過全面考慮系統(tǒng)中的錯(cuò)配應(yīng)力、退極化場(chǎng)及表面能,得出了不同尺寸下各種因