铁电薄膜的静态特性及动态介电特性的结构过渡层效应

摘要

铁电薄膜与体材料相比可以具有良好的压电、热释电、电光、声光、光折变效应、非线性光学效应和高介电系数等优良特性[10]。近十几年来，铁电薄膜的制备技术有了很大的进步，极大地拓宽了应用领域的范围。例如非易失性铁电存储器（FERAM）、动态随机存储器（DRAM）、薄膜电容器、微驱动器和执行器、红外探测器、热释电传感器列阵、光波导器件、光学显示及存储器、空间光调制器、激光倍频器等。随着科技的日益发展和研究的深入，人们期望基于铁电薄膜的设备能够小型化、高密度和低能量损耗等等。然而，由于制备过程中杂质、缺陷、表面和界面应力以及不同组分间的界面效应等因素，导致铁电薄膜的物理性质与相应体材料的不同，有些情况下这种差别非常大。也会出现新的现象，如尺寸效应等。从众多已经发表的关于铁电薄膜制备和性质的研究报告中能够知道以下问题，所有研究结果均存在个体的差异，即使工艺相同、材料成分一样也是如此。这说明铁电薄膜的物理性质不但与材料和其成分有关，而且与具体工艺过程细节有关。通过调研和大量已发表的研究结果分析，我们认为由于铁电薄膜与电极之间、不同材料间的界面应力以及缺陷都是原生的，实验的个体差异就是原生的应力及缺陷分布不同所致，它们的存在会造成薄膜结构的局部差异，结果会在薄膜的表面或界面附近产生结构过渡区，正是这种结构过渡区对铁电薄膜性质的影响能够产生较大的影响，甚至可以导致体材料没有的物理效应。因而无论从是科学认识过程要求和理论发展的需求，还是为了制备高质量、工作稳定的更小尺寸的商业化器件都要求人们做进一步的基础实验和理论研究工作。因而对表面或界面过渡层效应的基础研究，不但具有理论研究意义而且具有非常实际的研究价值。本论文就是在这样的背景下，通过引入结构过渡层，研究铁电薄膜的静态性质和动态介电性质。
　　本文分别采用横场Ising模型、GLD唯象理论，在平均场近似下研究了铁电薄膜的极化分布、相变温度及热释电等性质的表面过渡层效应。
　　在采用横场 Ising模型的理论研究中，首次引入了层内赝自旋相互作用函数和层间赝自旋相互作用函数J(m)来表征表面过渡层内的结构的不均匀特点。(e)这是对推广使用横场Ising模型研究铁电薄膜的可能产生推动作用的主要创新之一。Jma得到新结论有：（1）铁电薄膜存在表面过渡层是薄膜性质不同于体材料的本质原因，而过渡层厚度是影响铁电薄膜静态性质的一个很重要的因素。（2）表面过渡层可以使薄膜的相变温度高于或低于体材料的相变温度。在过渡层中层内赝自旋相互作用系数比层间赝自旋相互作用系数对于体系性质的影响要更加显著。（3）由于表面过渡层（赝自旋相互作用系数小于相应体材料的值情况）的作用，当赝自旋相互作用较弱时，薄膜存在临界的厚度，如果薄膜的厚度小于临界厚度时铁电薄膜的铁电性将消失。
　　为了探讨结构过渡层对铁电超晶格、多层铁电薄膜性质的影响，论文研究了对在界面附近存在结构过渡区和在界面处两组分存在铁电耦合的双层铁电薄膜的性质进行了理论探讨。在这种构型的铁电复合薄膜研究中，论文首次把结构过渡层引入研究中，为深入了解这种构型的铁电复合薄膜的奇异特性产生的物理机制提出了新的认识方向。为使结果具有普适性，采用了GLD唯象理论。得到以下主要结论是：在界面间界耦合为铁电耦合的情况下，界面间界耦合有利于薄膜处于铁电相，而结构过渡层对系统的铁电性有抑制作用。在这种构型的情况下，铁电双层膜将存在一个两种相互抵制作用的平衡点。铁电双层膜性质奇异的反常行为表现是源于结构过渡层和界面间耦合之间的竞争偏离平衡点。例如当体系处于界面间界耦合的作用小于结构过渡层时状态时，可能产生尺寸驱动的相变。反之，不能发生尺寸驱动的相变。
　　论文首次在平均场近似理论框架下，讨论表面结构过渡层对薄膜的动态介电常数的影响，得到如下结论：（1）晶格振动阻尼作用是降低相对介电常数实部和虚部的峰值，并且拓宽峰宽。（2）结构过渡层能使相对介电常数的实部和虚部的峰值的温度位置向低温区移动，软模频率将随着结构过渡层影响的增加而降低。
　　本论文是在热力学宏观理论和平均场近似理论的框架下，研究了铁电薄膜的静态性质和动态性质，以及铁电双层薄膜的极化分布和相变性质。所取得的结果和结论丰富了铁电薄膜领域的研究内容，对实验工作可能具有一定的指导作用。但是尚有许多工作有待进一步研究，例如：薄膜内部的退极化场问题等。