位錯(cuò)對(duì)鈦酸鋇鐵電薄膜性能影響的研究.pdf

1、外延生長(zhǎng)的鐵電薄膜由于晶格與襯底的失配會(huì)形成位錯(cuò),產(chǎn)成不均勻的應(yīng)變場(chǎng),而鐵電材料強(qiáng)烈的力電耦合會(huì)使得位錯(cuò)嚴(yán)重影響薄膜的性質(zhì)。本文采用基于第一性原理的分子動(dòng)力學(xué)方法,分別模擬無(wú)位錯(cuò)以及有位錯(cuò)的鈦酸鋇鐵電薄膜,計(jì)算了薄膜的局域極化分布。通過(guò)在原子尺度上對(duì)位錯(cuò)的影響進(jìn)行定量分析,不僅驗(yàn)證了基于熱力學(xué)理論模擬的結(jié)果,也為今后鐵電薄膜位錯(cuò)的微觀理論提供可靠的依據(jù)。
　　本文簡(jiǎn)述了分子動(dòng)力學(xué)方法在研究鐵電問(wèn)題中的合理性和優(yōu)越性。詳細(xì)討論了分子

2、動(dòng)力學(xué)模擬的基本原理,及其統(tǒng)計(jì)力學(xué)依據(jù),并且介紹了分子動(dòng)力學(xué)模擬中所運(yùn)用的技術(shù)方法,總結(jié)了分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本流程。
　　在此基礎(chǔ)上,本文利用基于第一性原理核殼模型的分子動(dòng)力學(xué)方法,對(duì)鈦酸鋇塊體材料的鐵電相變進(jìn)行了模擬再現(xiàn),并將相變溫度、晶格常數(shù)、自發(fā)極化強(qiáng)度等物理量的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析。通過(guò)該部分的研究說(shuō)明分子動(dòng)力學(xué)可以用來(lái)研究鈦酸鋇鐵電材料。
　　考慮到所模擬的是納尺度材料中的位錯(cuò),而納尺度的鐵電材料由于表面和

3、界面的存在,以及自身強(qiáng)烈的力電耦合,其性能與塊體材料有很大差異,所以本文研究了鈦酸鋇薄膜的尺寸效應(yīng)和均勻應(yīng)變對(duì)薄膜性能的影響。分別模擬不同厚度和不同應(yīng)變下的薄膜,得出了鈦酸鋇薄膜的180度電疇,并研究了薄膜的電滯回線(xiàn)。分析得出薄膜的臨界尺度是2.8nm,這與熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果(2.6nm)相近;薄膜越厚,壓應(yīng)變?cè)酱?極化強(qiáng)度也越大,電滯回線(xiàn)面積也越大,這可以解釋實(shí)驗(yàn)中鐵電矯頑場(chǎng)與厚度和應(yīng)變的關(guān)系。
　　以外延生長(zhǎng)在鈦酸鍶基底上的鈦酸鋇

4、薄膜為對(duì)象,研究失配位錯(cuò)對(duì)鈦酸鋇薄膜晶胞極化分布的影響,計(jì)算沿薄膜厚度方向(z方向)的局域極化狀態(tài)分布,并與無(wú)位錯(cuò)的薄膜進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)有位錯(cuò)的薄膜在面外方向會(huì)形成極化梯度;z方向單晶胞序列的平均極化明顯低于無(wú)位錯(cuò)的薄膜,這說(shuō)明位錯(cuò)的存在會(huì)降低薄膜的極化性能;同時(shí)對(duì)不同厚度的薄膜進(jìn)行了模擬,得出了所加位錯(cuò)的影響范圍為10nm,這與熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果(12nm)相近;最后研究了位錯(cuò)密度對(duì)薄膜極化性能的影響,發(fā)現(xiàn)位錯(cuò)密度越大,薄膜的晶胞自發(fā)極化強(qiáng)