鐵電納米結(jié)構(gòu)中退極化場屏蔽機(jī)理的多尺度研究.pdf

1、鐵電材料在功能器件、智能結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著器件的小型化和微型化，鐵電材料納米結(jié)構(gòu)的研究受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注。其中，退極化場的消除機(jī)理關(guān)系到鐵電材料的尺寸效應(yīng)（區(qū)別于塊體材料的特殊性質(zhì)，例如，納米尺寸下的電疇形貌），臨界尺寸（小于臨界尺寸鐵電性將消失）等問題。因此，對退極化場消除機(jī)理的研究不僅對物理、材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究有著重要的學(xué)術(shù)意義，而且對工業(yè)應(yīng)用等也可以給出重要的指導(dǎo)。本文主要利用第一性原理計(jì)算，在不同的力

2、學(xué)、電學(xué)邊界條件下，探索和討論了多種退極化場的屏蔽機(jī)理。同時(shí)，以相場模擬方法作為第一性原理計(jì)算的外延，討論較大尺寸的鐵電納米結(jié)構(gòu)。
　　(1)本文討論的第一種退極化場屏蔽機(jī)理為“多疇結(jié)構(gòu)”。多疇結(jié)構(gòu)盡可能的減少了極化在自由表面的不連續(xù)性，降低了退極化場的強(qiáng)度，因而可以在電疇內(nèi)部保持鐵電極化。通過對PbTiO3無約束薄膜的模擬，我們討論了其穩(wěn)定的閉合電疇結(jié)構(gòu)。并且通過和BaTiO3薄膜的比較，解釋了PbTiO3納米薄膜中鐵電臨界厚度

3、消失的機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變梯度起了重要的作用。為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)了BaTiO3納米管的算例，并在其中驗(yàn)證了上述機(jī)理所預(yù)測的撓曲電效應(yīng)。
　　(2)在無約束鐵電薄膜中，本文進(jìn)一步利用相場模擬方法，在更大尺寸范圍內(nèi)針對鐵電薄膜中帶狀180°電疇結(jié)構(gòu)的Kittel law和generalized scaling law，做了探索性的研究。相場模擬方法作為一種連續(xù)介質(zhì)理論，高度依賴于其采用的能量形式和參數(shù)。然而，其梯度能系數(shù)在以往的

4、文獻(xiàn)中并不確定，只是限于一個(gè)取值范圍。本文結(jié)合以上兩點(diǎn)，在帶狀180°電疇結(jié)構(gòu)的模擬中考慮了不同的梯度能系數(shù)，以揭示其對Kittel law的影響。并且，通過進(jìn)一步考慮疇壁厚度，在數(shù)值計(jì)算的層面上驗(yàn)證并討論了generalized scaling law。
　　(3)本文闡述的第二種退極化場屏蔽機(jī)理為“二維電子氣”?；贚aAlO3/SrTiO3界面上二維電子氣的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本文嘗試將其與鐵電薄膜相結(jié)合，利用鐵電極化來代替極性材料（

5、例如LaAlO3）中的內(nèi)在極化，并且從熱力學(xué)模型預(yù)測出了該機(jī)理的可行性。根據(jù)熱力學(xué)模型，當(dāng)鐵電薄膜的厚度大于臨界厚度時(shí)，二維電子氣可以穩(wěn)定存在于薄膜的界面或表面，并幾乎完全抵消了退極化場，從而穩(wěn)定了鐵電薄膜中的面外單疇構(gòu)型。根據(jù)這一預(yù)測，本文對PbTiO3/SrTiO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了第一性原理計(jì)算，計(jì)算結(jié)果證實(shí)了該機(jī)理。
　　(4)本文討論的第三種退極化場屏蔽機(jī)理為“金屬電極”。已有的實(shí)驗(yàn)就多鐵性隧穿結(jié)Fe/BaTiO3/Fe的界