压应变对BaTiO3铁电体抗辐射性能影响的分子动力学模拟

摘要

铁电材料由于具有铁电、介电、压电、热释电、电光、声光等优异的物理性能，被制成铁电存储器、探测器和传感器等功能器件，广泛应用在微电子、光电子以及空间技术等领域。近些年，随着航空航天、核技术的发展，人们对电子元器件的稳定性和可靠性提出了更高的要求。铁电材料及其器件由于具有较好的辐射稳定性，适宜在辐射环境下应用，从而引起了科研工作者的广泛关注。然而辐射环境下高能粒子的作用必然会导致铁电材料及其器件产生辐照损伤，严重影响其可靠性和稳定性。目前，人们已通过应变工程实现了对铁电薄膜性能的调控，例如通过压应变可以实现使铁电材料极化强度、相变温度、缺陷形成能增加等。但是，目前还未将应变工程应用于铁电材料辐射效应的研究中，应变对铁电材料抗辐射性能的影响还缺乏大量的实验研究和理论验证。基于此，本论文将以BaTiO3铁电体作为研究对象，通过壳模型分子动力学方法，研究了压应变对铁电体抗辐射性能的影响。
　　首先，采用壳模型分子动力学方法研究了压应变对BaTiO3铁电体辐射位移效应的影响。在模拟中我们以O原子为初冲原子(primary knock-on atom，PKA)，并设定PKA能量为1 keV、入射方向为[001]。通过统计不同压应变下BaTiO3辐射过程形成的缺陷数量，发现压应变能够有效抑制缺陷的生成。此外，在压应变为0和2％情况下，我们模拟了辐射过程中不同时刻体系产生的局域损伤、计算了体系稳定后缺陷原子的离位距离以及PKA在外电场下的迁移距离。研究发现，压应变的存在不仅可以减小 BaTiO3体系的损伤区域，还能有效缩短缺陷原子的离位距离和PKA在电场下的迁移距离。由此可见，压应变对辐射造成的晶格损伤具有抑制作用。因此，可通过引入压应变来调控BaTiO3的辐射损伤。
　　其次，研究了应变对辐射作用下的 BaTiO3性能演化规律的影响。通过计算不同压应变情况下 BaTiO3单畴结构辐射前后的极化强度，我们发现极化强度随压应变的增加几乎呈线性增加，压应变使得辐射后极化强度降低幅度减小。由此可以看出，应变可以抑制辐射导致的极化下降，有效地保持了极化的稳定性。此外，通过计算压应变为0和0.4％时辐射前后体系的电滞回线，我们发现压应变不仅可以提高 BaTiO3的剩余极化、矫顽场和最大极化强度，也能增强辐射后BaTiO3的最大极化强度和剩余极化的稳定性。因此，引入压应变不仅可以改变BaTiO3极化强度，也可以增强BaTiO3在辐射作用下的稳定性，提高BaTiO3的抗辐射性能。

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第1章 绪论

1.1 铁电材料概述

1.2 铁电薄膜中的应变

1.3 辐射环境及辐射效应

1.4 铁电材料辐射的研究方法及研究现状

1.5 本论文选题依据及研究内容

第2章 分子动力学方法

2.1 基本原理

2.2 初始条件

2.3 边界条件

2.4 截断距离

2.5 原子间作用势

2.6 运动方程的数值解法

2.7 分子动力学模拟系综

2.8 体系宏观物理量的计算

第3章 压应变对BaTiO3辐射缺陷的产生和迁移的影响

3.1 壳模型的选择及其模拟方法

3.2 所选参数及辐射过程模拟准确性的计算

3.3 压应变对BaTiO3辐射缺陷的产生和迁移的影响

3.4 本章小结

第4章 压应变对辐射作用下BaTiO3性能演化的影响

4.1 压应变对BaTiO3辐射极化强度的影响

4.2 压应变对BaTiO3辐射极化翻转的影响

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文