多场作用下BST薄膜的相变及畴翻转机制分析

摘要

由于具有优良的性能，如铁电性、压电性、介电性、热释电性以及非线性光学等物理特性使得铁电薄膜材料成为当前新型功能材料研究热点之一。这类材料在现代微电子、微机电系统(MEMS)、信息存储等方面有着广泛的应用，必将成为未来微电子器件行业的材料支柱。铁电薄膜的铁电畴结构及其畴变规律决定着铁电体的物理性质和应用方向。在铁电体的研究热潮中，铁电畴是科研工作者关心的重点之一，研究者主要从实验和理论模拟两个角度出揭示其畴变机理。在实验上，压电力显微镜（PFM）是重要的实验仪器之一，利用它来观测铁电薄膜的畴变过程，由于该手段方法的实用性，已发展成为研究铁电电畴结构及其畴变演化的主要实验手段。理论上，非线性热力学理论是研究铁电相变的主要理论方法之一。尽管通过实验和理论手段对铁电薄膜相变和畴变机制进行研究已有了大量报道，但仍存在研究瓶颈：第一，复杂场对于铁电薄膜相变的影响鲜有报道，而在实际情况下电子器件的工作环境较为复杂，因此需要结合器件的实际工作环境建立多场模型。第二，在PFM实验上观测到的薄膜单晶区域一般呈现的是更为复杂的多畴结构而不是简单的单畴态，而传统的单晶单畴理论模型不能准确的来解释这些真实的实验现象，因此本文基于PFM观测到的多畴畴变过程，建立非线性非力学理论模型，将实验与理论结合起来研究铁电材料的畴变和相变机制。本论文的主要内容如下：
　　(1)利用朗道徳文希尔理论，建立非线性热力学模型研究了外延生长在正交基底的(BaxSr1-x)TiO3(BST)薄膜相图以及物理特性。通过定量计算面内失配应变，引进了一个各向异性失配应变因素u(u=S1/S2)，我们称之为失配应变比。将这个比值带入到模型中进行计算，得到了Ba0.5Sr0.5TiO3（BST50）和Ba0.6Sr0.4TiO3（BST60）薄膜的“失配应变比-温度”相图和介电曲线。从我们的理论模拟结果中，我们发现了失配应变比的改变可以导致薄膜发生铁电相变。且失配应变比变为正值，会诱发四方aa相更加稳定。
　　(2)通过改进了正交基底上的热力势函数，分别研究了立方基底上BST50铁电薄膜在力场和电场同时作用以及温度场和电场同时作用下的相图及物理特性。首先，我们得到了力电共同作用下的电场-失配应变相图；其次，进一步研究我们又计算出了温度电共同作用下的电场-失配应变相图以及介电曲线。在力电共同作用下的相图，我们可以看出，随着力场的加入，原本只有单一电场影响的相图相区域会发生改变，力场的增大会是薄膜更易处于仅含一个面内极化的四方相a1c2，并且在压应力作用下会出现新相顺电相，它的区域会随着压应力的增大而增大。在温度电共同作用下的相图，我们可以发现温度的变化能极大的影响相图的区域分布，并且温度越高时，越易形成顺电相；最后讨论了温度电共同作用对铁电薄膜材料介电和压电系数的影响，施加合适的温度和电场有助于提高薄膜介/压电性能。
　　(3)对传统的单晶单畴模型进行改进并结合电场下观测BST50的压电相位图，推导出了适用于外电场作用下的单晶多畴模型。经过模拟计算，得到了室温下生长在立方基底上的BST50铁电薄膜失配应变-外电场相图。从模拟结果图中可以看出，外电场和失配应变的改变都会导致相区域的改变，如新相的生成或相的消失。相图中，模拟出现的相以及相变的外场阈值和实验观测的相位图相吻合，出现了不同电压观测下的几种多畴态：(1)三畴态：c2/ac/aa畴；(2)二畴态：r1/c2畴和c2/aa畴；(3)单畴态：c畴。并在电场的改变下使得不同畴态之间发生畴转变，分析可得到BST50薄膜在外加电场作用下铁弹畴变阈值为-120 kV/cm,-420 kV/cm和-690 kV/cm。这些理论结果表明铁电薄膜的单晶多畴模型能够更好，更准确的描述实际畴翻转现象。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 铁电薄膜的介绍及生产应用

1.2 铁电薄膜电畴的实验观测

1.3 铁电相变的概述及理论研究

1.4 本论文研究的基本理论与方法

1.5 本论文研究的的主要内容、目的及意义

第2章 失配应变比对BaxSr1-xTiO3铁电薄膜物理性能的影响

2.1 正交基底铁电薄膜的非线性热力势函数

2.2 不同应变比下BaxSr1-xTiO3的畴变理论模型结果

2.3 本章小结

第3章 多场作用对立方基底BST50铁电薄膜物理性能的影响

3.1 立方基底铁电薄膜的非线性热力势函数

3.2 力电共同作用对BST50铁电薄膜相图的影响

3.3 温度电共同作用对BST50铁电薄膜物理性能的影响

3.4 本章小结

第4章 电场作用下BST50铁电薄膜的畴变实验观测及理论分析

4.1 铁电薄膜BST50的实验表征方法

4.2 电场下电场下BST50铁电薄膜的实验表征结果

4.3 电场下BST50铁电薄膜相图的理论分析

4.4 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历、在校期间发表的学术论文与研究成果