铁电体极化畴与力电耦合性能的分子动力学模拟

摘要

近年来，微纳米器件呈现出蓬勃发展之势。铁电材料作为一种非常重要的功能材料，因其具有良好的力、热、电耦合性能而广泛应用于功能器件中。随着铁电器件特征尺寸减小至纳米尺度，铁电材料力电耦合响应呈现出明显与传统宏观尺度情况不一样的现象，这是因为铁电体内畴结构在纳米尺度会呈现一些特殊的构型和演化模式。这对微纳米铁电器件的设计和应用提出了严峻的挑战，纳米尺度下铁电畴结构的演化已成为微纳米铁电器件设计和应用中必须面对的重要问题。薄膜是微纳米器件的一种常见形式，因此研究纳米铁电薄膜中畴结构在机械载荷作用下的演化和力电耦合响应具有重要的科学和工程意义。
　　本文提出了基于分子动力学方法的力电耦合计算框架，建立了纳米尺度铁电体介电常数的计算模型，模拟了纳米尺度铁电畴在机械载荷作用下的演变行为，揭示了纳米尺度漩涡和反漩涡构型特性和相互作用关系，探讨了漩涡畴和反漩涡畴的萌生、运动、碰撞和湮灭行为，讨论了铁电畴演化的应变率效应。本文取得的主要创新性成果包括：
　　1、提出了适用于钙钛矿类晶体介电常数计算的基于洛伦兹有效电场模型的分子动力学方法，利用洛伦兹有效电场模型推导了钙钛矿类铁电材料介电常数的计算公式，采用分子动力学方法计算模型结构参数，进而得到纳米尺度钙钛矿类晶体的介电常数。作为实例，计算了在不同温度条件下钛酸钡单晶纳米线的介电常数，并与实验结果在整个相变温度区间进行了比较，验证了该方法的合理性。
　　2、采用基于 Shell模型的分子动力学方法，模拟了在常应变率的单轴压缩位移载荷作用下，180°纳米极化畴结构的演化过程，发现在压缩变形从零发展到2％的过程中，极化畴结构的演化明显可以划分为三个阶段：当应变达到0.05％时，初始180°畴结构演变成四个首尾相接的90°畴，并形成封闭型漩涡；当应变处于0.22％到1％之间时，进一步发展成沿z轴方向的漩涡-反漩涡-漩涡结构和沿y轴方向的漩涡组阵列；当应变达到1％时，漩涡畴消失，形成垂直于z方向的180°畴壁结构。
　　3、研究了在不同应变率的位移加载条件下铁电单晶的力电耦合响应，发现铁电单晶力电耦合响应在应变率小于0.5ns-1的范围内存在明显的应变率依赖性、形成稳定畴结构的应变与加载应变率呈半对数线性关系、稳定畴随应变率增大而依次发生由内部向表面的局部180°翻转、畴壁数目也随应变率增大而增大、而当应变率大于0.5ns-1时应变率的改变对畴结构的影响不明显。
　　4、模拟了在常应变率的单轴压缩位移载荷作用下正反漩涡对的萌生、运动、碰撞和湮灭的全过程，估算了漩涡和反漩涡的运动速度，漩涡与反漩涡发生碰撞、湮灭及其后系统平衡所需的时间。根据纳米尺度粒子之间的相互作用关系，推导了晶格极化矢量间的相互作用，进一步得到了同向漩涡对、反向漩涡对、正反漩涡对、以及反反漩涡对等不同漩涡组合之间的相互作用。在此基础上，分析了极化结构之间的相互作用关系和运动演化规律，探讨了极化构型演变的内部机制。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文的主要内容

2 铁电单晶介电常数的微纳尺度计算方法

2.1 引言

2.2 洛伦兹有效电场模型

2.3 分子动力学模型

2.4 算例

2.5 本章小结

3 铁电单晶薄膜应变致畴演化模拟

3.1 引言

3.2 计算模型与参数

3.3 铁电畴演化

3.4 力电耦合参数分析

3.5 本章小结

4 铁电单晶薄膜力电耦合响应的应变率效应

4.1 引言

4.2 计算模型与边界条件

4.3 应变率对材料力学响应的影响

4.4 应变率对力电耦合性能的影响

4.5 本章小结

5 铁电单晶薄膜极化漩涡对的演化过程模拟

5.1 引言

5.2 极化漩涡对的运动、碰撞和湮灭过程模拟

5.3 含萌生的极化漩涡对演化过程模拟

5.4 本章小结

6 极化漩涡对之间的相互作用分析

6.1 引言

6.2 粒子间的相互作用力

6.3极化矢量间的相互作用关系

6.4 正反极化漩涡间的相互作用

6.5 极化结构间相互作用关系分析

6.7 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录

附录2 攻读学位期间参与的项目