电场诱导钙钛矿材料铁电相变的唯象理论研究

摘要

PbTiO3(PT)是一种典型的钙钛矿铁电材料，由于具有优良的介电、压电、热释电和铁电等性质被广泛的用来制造高频陶瓷过滤器、表面声波器件、红外传感器和非易挥发性铁电随机存储器等。本文在朗道-金兹堡-德文希尔唯象理论的基础上，研究外加电场效应对PT材料相变、压电性质及极化转动的影响，主要研究结果如下：
　　1.在纯的PT中，沿伪立方[011]、[111]方向加载电场，建立了电场-温度相图。当电场沿伪立方[011]轴，诱导四方-单斜-正交(T-MC-O)、四方-单斜(T-MC-MB)相变，在MC-O相转变区域，压电系数d33超高，超过了8000 pC/N。当电场沿伪立方[111]轴，电场诱导四方-单斜-菱方(T-MA-R)相变，在接近MA-R转变的临界电场时，压电系数d33有明显的增大。通过静水压方法能有效降低相变的临界电场(E011C和E111C)。
　　2.在外延各向同性和各向异性应变的PT薄膜中，沿着[001]轴加载电场，建立了电场-应变，电场-温度等相图。我们系统的研究了电场诱导的单斜相和三斜相的稳定性。通过控制电场与应变之间的耦合可以确定电场诱导的不同相变，各向同性应变有利于单斜相(MA(r)、MB(r))，而各向异性应变有利于单斜相(MC)、三斜(triclinic)结构。随着温度和应变各向异性的增加，MC比triclinic更稳定。单斜和三斜相有高的压电系数 d35和d33，在大小相等而方向相反的应变条件下，MC相区有高的压电行为。
　　3.在PT材料中，外加电场能诱导低对称性的单斜相和三斜相，这些相对极化转动驱动的压电响应是十分重要的。基于外延薄膜中应变梯度诱导的极化转动，我们估算了在室温下PT的应变梯度-极化耦合系数?12约为156~312 nC/m。通过改变外延应变，可以控制 PT薄膜中相变的临界电场(E001C)，在面内应变大小相等，方向相反且在极化路径中只有中间相MC的情况下，发现极化转动需要较低的电场。电场对铁电材料的极化转动行为和电机械耦合应用有重要的影响。

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第1章 前 言

1.1铁电材料的概述

1.2铁电材料的发展历史

1.3钙钛矿型铁电材料的结构、性质及应用

1.4 铁电相变

1.5 本论文研究的主要内容及意义

第2章 电场E011、E111对PbTiO3单晶相变的影响

2.1 引言

2.2 PbTiO3单晶在电场作用下的弹性吉布斯自由能函数

2.3 电场对PbTiO3单晶相变的影响

2.4 电场对PbTiO3单晶压电性能的影响

2.5 静水压对PbTiO3单晶相变临界电场的影响

2.6 本章小结

第3章 电场E001对各向同性和各向异性应变PbTiO3薄膜相变的影响

3.1 引言

3.2 外延应变 PbTiO3薄膜在电场 E001下的弹性吉布斯自由能函数

3.3 电场E001对各向同性应变PbTiO3薄膜相变的影响

3.4 电场E001对各向异性应变PbTiO3薄膜相变的影响

3.5 电场E001对不同面内应变PbTiO3薄膜的压电性能的影响

3.6本章小结

第4章 电场诱导PbTiO3材料的极化转动

4.1 引言

4.2 钙钛矿晶胞中不同相的极化方向原理图

4.3 电场E011、E111诱导PbTiO3体材料的极化转动

4.4 电场E001诱导不同应变PbTiO3薄膜的极化转动

4.5 电场诱导不同面内应变PbTiO3薄膜的压电应变

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

攻读硕士期间发表的论文

致谢