取向铁电薄膜PMN-PT力-电和热释电性能的应变调控

摘要

铁电薄膜优异的物理性能更能满足器件日益微型化的需求，被广泛应用于光电子、微电子和微机电等领域。薄膜性能的好坏影响着器件性能的优劣。不同取向生长的铁电薄膜具有不同的性能，同时薄膜与基底间的失配应变对薄膜相结构具有重要影响，因此有望通过失配应变调控不同取向铁电薄膜的力-电、热释电性能。热力学理论作为一种研究铁电薄膜的有效方法，已在(001)取向薄膜的研究中有较好的应用，但其绝大多数采用的是单畴假设，对于其它取向和多畴铁电薄膜中的应用非常少，迫切需要建立其它取向和多畴状态薄膜的热力学理论框架。(1-x)PMN-xPT块体展现出优良的机电性能，但关于其薄膜力-电、热释电性能的优化和提高的理论分析相当缺乏。为此，本论文建立了不同取向铁电薄膜的单畴和多畴热力学理论框架，以(1-x)PMN-xPT薄膜为例，计算分析了取向和应变对(1-x)PMN-xPT相结构、力-电和热释电性能的影响，并提出了应变调控优化(1-x)PMN-xPT薄膜力-电和热释电性能的方案。相关研究内容及主要结论如下：
　　(1)从(001)取向铁电单畴块体热力学函数出发，通过对序参量进行坐标转换，并考虑薄膜所受由基底引起的失配应变，我们建立起(001)、(110)和(111)取向单畴铁电薄膜的热力学理论框架及其力-电、热释电性能计算方法。并通过不同畴组合形成多畴模型，通过考虑全局和局域畴壁处的力学、电学边界条件，我们建立起了多畴铁电薄膜的热力学理论框架及其力-电、热释电性能计算方法。
　　(2)基于所建立的不同取向单畴铁电薄膜热力学理论框架，计算分析了不同取向单畴(1-x)PMN-xPT薄膜的应变-温度相图及其力-电、热释电性能。研究结果表明：(111)、(001)、(110)取向单畴(1-x)PMN-xPT薄膜相结构的对称性依次降低。在相变点处，不同取向单畴(1-x)PMN-xPT表现出较好的介电、压电性能，且(001)、(110)取向单畴0.7PMN-0.3PT和0.58PMN-0.42PT薄膜表现出比相同组分(111)取向(1-x)PMN-xPT薄膜更优的介电、压电性能，且(110)和(111)取向单畴(1-x)PMN-xPT薄膜表现出比(001)取向薄膜更好的热释电性能。
　　(3)基于所建立的多畴铁电薄膜热力学理论框架，计算分析了多畴(1-x)PMN-xPT薄膜的应变-温度相图及其力-电、热释电性能。研究结果表明：多畴(1-x)PMN-xPT薄膜具有比单畴薄膜更复杂的相结构，且随着组分的增加， Te(a)/Te(c)与M(aa*)/M(ca*)相的区域依次增加。在相变点处，多畴(1-x)PMN-xPT薄膜展示出较好的介电、压电响应。多畴0.7PMN-0.3PT薄膜在较大的应变范围内不具有面外热释电系数，但其在相变点处表现出了比组分x=0.42和0.7的多畴薄膜更好的热释电性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 铁电材料简介及应用

1.2 铁电薄膜取向生长研究现况

1.3 铁电薄膜性能的应变调控

1.4 论文选题依据及主要研究内容

第2章 铁电薄膜的热力学理论框架

2.1 不同取向单畴铁电薄膜的热力学理论框架

2.2 多畴铁电薄膜的热力学理论框架

2.3 本章小结

第3章 不同取向单畴(1-x)PMN-xPT铁电薄膜的力-电和热释电性能调控

3.1 不同取向单畴(1-x)PMN-xPT铁电薄膜的相结构

3.2 不同取向单畴(1-x)PMN-xPT铁电薄膜的力-电耦合性能

3.3 不同取向单畴(1-x)PMN-xPT薄膜热释电性能

3.4 本章小结

第4章 多畴(1-x)PMN-xPT薄膜力-电和热释电性能调控

4.1 多畴(1-x)PMN-xPT铁电薄膜的相结构

4.2 多畴(1-x)PMN-xPT铁电薄膜的力-电耦合性能调控

4.3 多畴(1-x)PMN-xPT薄膜的热释电性能

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果