弛豫铁电铌镁酸铅的朗道系数及其临界行为的研究

摘要

弛豫铁电单晶通常具备比传统的压电材料更高的压电性能，这为它们在土木工程结构的健康检测等应用中提供了广阔的应用前景。虽然目前大部分学者都认为局部纳米极化区域是其具备高性能的主要原因，然而内在的机制并未被完全认知。另外，由于缺乏相应的朗道系数，相应的热力学理论计算也无法开展。结合实验观测的现象，获取朗道热力学系数，并结合实验结果进行理论预测推算，进而深入研究弛豫铁电单晶中巨压电的内在机理及在外场下的响应，这对开拓新一代压电单晶尤其是无铅压电单晶具有重要意义。
　　本研究主要内容包括：⑴分析极性纳米微区在弛豫体里中的作用，确定其在不同温度下的状态和性质，并考虑其本质特性以及在弛豫铁电体中的作用，通过确定弛豫铁电里的相结构性质，推断纳米微区对巨压电效应的贡献。根据铌镁酸铅的组分-温度相图，可以将晶体的相结构分类为三方相，单斜相和四方相。结合不同温度以及电场下的相结构以及动力学行为，结合朗道唯象理论的特征性质分析获取朗道系数，并提出一系列具体的获取朗道系数的测试以及验证方法。⑵对于准同形相界偏左成份的PMN-0.30PT单晶，通过拟合双电滞回线，介电系数随温度变化的趋势以及三方和四方相发生转变的温度来拟合得到朗道系数。基于获取的朗道系数，利用热力学理论计算其铁电性能，并且与实验的结果进行对比。利用热力学的能量分布以及各种正则统计结果分析实验共存相，通过确定稳定相的含量，计算共存区的性能，进而与实验结果进行对比。⑶由于铁电朗道理论系数主要通过单畴结构的一些特征进行确定，因此需要确保单晶在极化后是单畴状态。采用偏光显微镜，可以进行微畴结构的观测。通过将晶体切成不同形状，对晶体施加不同方向的电场，结合晶体的光学特征，详细观测相变温度附近晶体畴结构的变化，分析归纳出晶体在形成单畴条件下的临界电场的大小。基于电场对畴结构的影响，本文在不同温度和电场下极化单晶样品，获取不同的畴结构。⑷对于常温下以为四方相为主的PMN-0.36PT单晶，通过拟合电滞回线，介电系数以及诱导三方相所需的临界电场获得朗道参数。利用所获取的朗道参数，理论计算随温度变化的铁电性能，并且与实验的结果进行对比。此外本文首次利用热力学理论推导了PMN-0.30PT和PMN-0.36PT薄膜的多畴结构相图，并分析其相图存在的差异和原因。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 弛豫铁电高性能机制分析及朗道热力学理论介绍

1.3 弛豫铁电国内外研究现状

1.4 本课题的主要研究内容

第2章 PNMN-0.30PT朗道系数的测定及共存相研究

2.1 引言

2.2 变温电滞回线实验和介电实验

2.3 朗道理论系数的拟合

2.4 朗道唯象理论模型及实验验证

2.5 相共存的研究及铁电性能的分析和计算

2.6 本章小结

第3章 PMN-0.30PT单晶相变迟滞临界行为

3.1 引言

3.2 变温介电及无外场作用下的偏光的实验

3.3 [100]C方向外电场诱导畴结构的偏光实验

3.4 [011]C面电滞回线和偏光实验

3.5 电场调控的多畴结构

3.6 本章小结

第4章 PMN-0.36PT朗道系数的测定及薄膜相图预测

4.1 引言

4.2 PMN-0.36PT的电滞回线和介电实验

4.3 拟合PMN-0.36PT的朗道参数

4.4 理论预测的结果和实验的对比

4.5 PMN-PT铁电多畴薄膜的研究

4.6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢