外延钙钛矿薄膜铁电相变厚度效应的唯象理论分析

摘要

PbTiO3(PT)和BaTiO3(BT)外延薄膜是一种典型的钙钛矿铁电材料，被广泛应用于微电子和光电子产品中，如：非挥发性铁电存储器、动态存储器、薄膜传感器、微波设备和红外探测器等。本文在朗道-金兹堡-德文希尔(LGD)唯象理论的基础上，研究了表面效应和退极化场效应对PbTiO3和BaTiO3外延薄膜相变及极化、介电等物理性质的影响，主要研究结果如下：
　　1.表面效应作用下，PbTiO3薄膜表面处的极化变小，薄膜中心处的极化却不受影响保持不变。对较厚的PbTiO3薄膜而言，表面效应的作用可以被忽略；但对于PbTiO3超薄膜，表面效应作用明显。表面效应会降低相变温度，使PbTiO3超薄膜在膜厚低于某临界厚度时，铁电性完全消失，出现所谓的尺寸驱动的铁电相－顺电相转变，类似于传统的温度驱使的铁电相变。模拟计算结果显示：室温时SrTiO3衬底上的 PbTiO3超薄膜在梯度能量系数为g11=3.35×10-9(Jm3/C2)和g11=3.5×10-10(Jm3/C2)时的模拟计算得出临界厚度分别为2.0nm和0.4nm，与Fong等[57-58]实验得出的临界厚度值为1.2nm非常接近。
　　2.表面效应和退极化场同属于薄膜的尺寸效应范畴之内。薄膜较厚时，其表面效应可忽略不计，但退极化场作用明显，薄膜的各种物理性质由温度、应变效应和退极化场决定。退极化场和表面效应均存在时，退极化场起主导作用，会极大地抑制PbTiO3超薄膜沿膜厚方向的极化，抑制铁电相C相。退极化场提高薄膜的自由能F，降低了相变温度，且提高了其铁电性存在的临界厚度。退极化场会使薄膜中心处的极化稍微变小，表面处的极化略微增大，极化空间分布线变得平缓一些，使薄膜膜厚方向的极化变得更加均匀，与表面效应的作用相悖。
　　3.尺寸效应对BaTiO3薄膜物理性质的影响类似于对PbTiO3薄膜的影响。退极化场对BaTiO3薄膜极化的抑制作用强于表面效应。在有或无退极化场条件下BaTiO3薄膜的居里温度分别是1105oC和873oC。结果表明退极化场存在时的模拟结果更接近实验结果，这是因为实验中BaTiO3薄膜存在较大的不可忽略的退极化场。

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第1章 前 言

1.1铁电材料的简介及发展历史

1.2钙钛矿型铁电薄膜材料的性质及应用

1.3铁电相变

1.4 本论文研究的主要内容、目的和意义

第2章 表面效应对PbTiO3薄膜物理性质的影响

2.1 引言

2.2 模型和理论

2.3 PbTiO3薄膜相变温度与薄膜厚度的关系

2.4 温度和薄膜厚度对PbTiO3薄膜极化强度空间分布的影响

2.5 温度和薄膜厚度对PbTiO3薄膜平均极化的影响

2.6 本章小结

第3章 退极化场对PbTiO3薄膜物理性质的影响

3.1 引言

3.2 模型和理论

3.3 PbTiO3薄膜相变温度与薄膜厚度的关系

3.4 温度和薄膜厚度对PbTiO3薄膜极化强度空间分布的影响

3.5 温度和薄膜厚度对PbTiO3薄膜平均极化的影响

3.6本章小结

第4章 尺寸效应对BaTiO3薄膜物理性质的影响

4.1 引言

4.2 模型和理论

4.3 BaTiO3薄膜相变温度与薄膜厚度的关系

4.4 温度和薄膜厚度对BaTiO3薄膜极化强度空间分布的影响

4.5 温度和薄膜厚度对BaTiO3薄膜平均极化的影响

4.6本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 对今后工作的设想

参考文献

致谢