鐵電體極化疇與力電耦合性能的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、近年來(lái)，微納米器件呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展之勢(shì)。鐵電材料作為一種非常重要的功能材料，因其具有良好的力、熱、電耦合性能而廣泛應(yīng)用于功能器件中。隨著鐵電器件特征尺寸減小至納米尺度，鐵電材料力電耦合響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯與傳統(tǒng)宏觀尺度情況不一樣的現(xiàn)象，這是因?yàn)殍F電體內(nèi)疇結(jié)構(gòu)在納米尺度會(huì)呈現(xiàn)一些特殊的構(gòu)型和演化模式。這對(duì)微納米鐵電器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，納米尺度下鐵電疇結(jié)構(gòu)的演化已成為微納米鐵電器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用中必須面對(duì)的重要問(wèn)題。薄膜是微納米器件的一種

2、常見形式，因此研究納米鐵電薄膜中疇結(jié)構(gòu)在機(jī)械載荷作用下的演化和力電耦合響應(yīng)具有重要的科學(xué)和工程意義。
　　本文提出了基于分子動(dòng)力學(xué)方法的力電耦合計(jì)算框架，建立了納米尺度鐵電體介電常數(shù)的計(jì)算模型，模擬了納米尺度鐵電疇在機(jī)械載荷作用下的演變行為，揭示了納米尺度漩渦和反漩渦構(gòu)型特性和相互作用關(guān)系，探討了漩渦疇和反漩渦疇的萌生、運(yùn)動(dòng)、碰撞和湮滅行為，討論了鐵電疇演化的應(yīng)變率效應(yīng)。本文取得的主要?jiǎng)?chuàng)新性成果包括：
　　1、提出了適用于鈣

3、鈦礦類晶體介電常數(shù)計(jì)算的基于洛倫茲有效電場(chǎng)模型的分子動(dòng)力學(xué)方法，利用洛倫茲有效電場(chǎng)模型推導(dǎo)了鈣鈦礦類鐵電材料介電常數(shù)的計(jì)算公式，采用分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算模型結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而得到納米尺度鈣鈦礦類晶體的介電常數(shù)。作為實(shí)例，計(jì)算了在不同溫度條件下鈦酸鋇單晶納米線的介電常數(shù)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在整個(gè)相變溫度區(qū)間進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該方法的合理性。
　　2、采用基于 Shell模型的分子動(dòng)力學(xué)方法，模擬了在常應(yīng)變率的單軸壓縮位移載荷作用下，180°納米

4、極化疇結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在壓縮變形從零發(fā)展到2％的過(guò)程中，極化疇結(jié)構(gòu)的演化明顯可以劃分為三個(gè)階段：當(dāng)應(yīng)變達(dá)到0.05％時(shí)，初始180°疇結(jié)構(gòu)演變成四個(gè)首尾相接的90°疇，并形成封閉型漩渦；當(dāng)應(yīng)變處于0.22％到1％之間時(shí)，進(jìn)一步發(fā)展成沿z軸方向的漩渦-反漩渦-漩渦結(jié)構(gòu)和沿y軸方向的漩渦組陣列；當(dāng)應(yīng)變達(dá)到1％時(shí)，漩渦疇消失，形成垂直于z方向的180°疇壁結(jié)構(gòu)。
　　3、研究了在不同應(yīng)變率的位移加載條件下鐵電單晶的力電耦合響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)

5、鐵電單晶力電耦合響應(yīng)在應(yīng)變率小于0.5ns-1的范圍內(nèi)存在明顯的應(yīng)變率依賴性、形成穩(wěn)定疇結(jié)構(gòu)的應(yīng)變與加載應(yīng)變率呈半對(duì)數(shù)線性關(guān)系、穩(wěn)定疇隨應(yīng)變率增大而依次發(fā)生由內(nèi)部向表面的局部180°翻轉(zhuǎn)、疇壁數(shù)目也隨應(yīng)變率增大而增大、而當(dāng)應(yīng)變率大于0.5ns-1時(shí)應(yīng)變率的改變對(duì)疇結(jié)構(gòu)的影響不明顯。
　　4、模擬了在常應(yīng)變率的單軸壓縮位移載荷作用下正反漩渦對(duì)的萌生、運(yùn)動(dòng)、碰撞和湮滅的全過(guò)程，估算了漩渦和反漩渦的運(yùn)動(dòng)速度，漩渦與反漩渦發(fā)生碰撞、湮滅及