鐵電體疇結(jié)構(gòu)和極化反轉(zhuǎn)的計(jì)算機(jī)模擬.pdf

1、鐵電材料是應(yīng)用廣泛的一大類功能材料，鐵電性的有效利用和新功能效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)都有賴于對(duì)鐵電性內(nèi)在本質(zhì)的深入理解。鐵電體物理學(xué)是當(dāng)代凝聚態(tài)物理學(xué)的一個(gè)重要分支。鐵電體疇結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)理解鐵電體極化反轉(zhuǎn)過(guò)程及其相關(guān)物理性質(zhì)有著十分重要的影響。深刻了解疇結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程及其動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)于控制和調(diào)節(jié)鐵電材料的特性是非常必要的。先前對(duì)鐵電體疇結(jié)構(gòu)的研究主要有以下兩個(gè)方面：一是基于最小自由能原理與居里原理之上的疇結(jié)構(gòu)確定，包括疇尺寸、疇壁尺寸及相鄰疇

2、的取向關(guān)系等研究。另一是基于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與運(yùn)動(dòng)模式推想相結(jié)合的動(dòng)力學(xué)研究。 目前的疇結(jié)構(gòu)的模擬主要是在伊辛(Ising)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的，模擬結(jié)果與實(shí)際的疇結(jié)構(gòu)圖案有較大的差別，而且在極化反轉(zhuǎn)過(guò)程中不能夠反映出疇的縱向長(zhǎng)大過(guò)程。本工作利用計(jì)入四自旋相互作用的伊辛模型的格林函數(shù)方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，直觀地顯示鐵電體的疇結(jié)構(gòu)隨外場(chǎng)電壓的變化圖樣，從而對(duì)鐵電體疇結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)機(jī)理進(jìn)行了一些理論研究。這一模型所得結(jié)果可以與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量地符合，而

3、且在足夠大的四自旋相互作用下可以描述一級(jí)相變過(guò)程。本論文在二維伊辛模型基礎(chǔ)上，運(yùn)用蒙特卡羅方法展開(kāi)了以下三方面的研究： (1)近鄰和四自旋相互作用對(duì)鐵電體疇結(jié)構(gòu)影響的模擬。在被研究體系的哈密頓量中分別計(jì)入最近鄰相互作用、最近鄰與次近鄰相互作用、最近鄰與次近鄰和第三近鄰相互作用。采用蒙特卡羅方法進(jìn)行模擬計(jì)算鐵電體疇結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化和極化反轉(zhuǎn)過(guò)程，討論極化強(qiáng)度P和外電場(chǎng)E之間的關(guān)系曲線(P—E電滯回線)。兩自旋相互作用對(duì)電疇的縱向長(zhǎng)大

4、趨勢(shì)沒(méi)有明顯的影響；次近鄰和第三近鄰相互作用增強(qiáng)疇壁的運(yùn)動(dòng)，而不利于成核過(guò)程。為討論鐵電體中發(fā)生的一級(jí)相變，必須計(jì)入四自旋相互作用。因此，在前面計(jì)算的基礎(chǔ)上在哈密頓量中計(jì)入四自旋相互作用以及與近鄰相互作用。計(jì)算鐵電體疇結(jié)構(gòu)和電滯回線與近鄰自旋相互作用下的區(qū)別。結(jié)果表面方型的四自旋相互作用對(duì)于疇的縱向生長(zhǎng)起主要作用；T型的四自旋相互作用可以導(dǎo)致反鐵電相的出現(xiàn)；在考慮最近鄰、第三近鄰和T型四體相互作用時(shí)，出現(xiàn)場(chǎng)致鐵電一反鐵電相變，電滯回線呈

5、壓扁狀；在考慮最緊鄰、第三近鄰、T型和方型四體相互作用時(shí)，出現(xiàn)更加明顯的場(chǎng)致鐵電一反鐵電相變。 (2)溫度對(duì)鐵電體疇結(jié)構(gòu)和極化反轉(zhuǎn)影響的模擬。溫度對(duì)鐵電體的疇結(jié)構(gòu)和自發(fā)極化有著十分重要的影響。為了了解這個(gè)問(wèn)題，我們模擬了點(diǎn)陣系統(tǒng)從隨機(jī)產(chǎn)生的初態(tài)演化到與目標(biāo)溫度對(duì)應(yīng)的平衡態(tài)的一個(gè)微觀態(tài)。而平衡態(tài)的每個(gè)微觀態(tài)給出了該溫度下的各個(gè)格點(diǎn)自旋指向的一種分布，根據(jù)自旋指向分布可得到極化強(qiáng)度。在近鄰、次近鄰、三近鄰和四自旋相互作用的Ising

6、模型的基礎(chǔ)上，利用蒙特卡轉(zhuǎn)過(guò)程。計(jì)算結(jié)果表明鐵電體的平均自發(fā)極化隨溫度的增加而減小，鐵電體系統(tǒng)的剩余極化、矯頑力隨溫度的升高而下降。這是由于隨著溫度的升高，系統(tǒng)自旋組態(tài)變得更無(wú)序，使得反鐵電更容易出現(xiàn)，導(dǎo)致了矯頑場(chǎng)的減小。并且，通過(guò)模擬不同溫度下的疇結(jié)構(gòu)圖樣，發(fā)現(xiàn)溫度也可誘導(dǎo)疇結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)化。 (3)電場(chǎng)對(duì)鐵電體疇結(jié)構(gòu)和極化反轉(zhuǎn)的影響。在外加電場(chǎng)的作用下，鐵電疇結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)成核以后的疇壁的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)疇的轉(zhuǎn)向。旅加電場(chǎng)時(shí)，極

7、化強(qiáng)度平行于外加電場(chǎng)的疇將增大，而反平行于外電場(chǎng)的疇將縮小，當(dāng)外加電場(chǎng)大于鐵電材料的矯頑場(chǎng)時(shí)，鐵電疇將發(fā)生反轉(zhuǎn)。本人利用二自旋和四自旋相互作用的Ising模型，采用蒙特卡羅方法研究了不同電場(chǎng)強(qiáng)度下，鐵電體疇結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化和極化反轉(zhuǎn)過(guò)程。研究結(jié)果表明鐵電體的平均自發(fā)極化隨場(chǎng)強(qiáng)的增加而略有增加，矯頑場(chǎng)隨場(chǎng)強(qiáng)的增加出現(xiàn)了少許的增大，而系統(tǒng)的剩余極化Pr基本保持不變。不同頻率下鐵電體系統(tǒng)的電滯回線，結(jié)果顯示電滯回線逐漸變寬。這說(shuō)明電場(chǎng)頻率越高鐵