界面效应对电荷畴铁电薄膜性能影响的相场模拟

摘要

畴结构以及畴在外场作用下的运动与铁电薄膜的性能如压电和铁电性能等密切相关，研究畴变对铁电薄膜性能的影响有助于我们理解铁电薄膜性能产生的机理并进而对其进行宏观调控。研究表明铁电薄膜中存在电荷畴结构且该畴结构对压电性能有很大的影响，因此系统地研究电荷畴在外场下的演化及其对铁电薄膜性能的影响是非常重要的。另外，薄膜界面通常存在界面电荷和界面态，所以开展界面对电荷畴的影响进而对薄膜铁电性能影响的研究显得非常必要，这有助于推动铁电薄膜在器件中的应用。本文通过修正基于金兹堡—朗道(TDGL)方程的相场方法，研究了不同外加电场和应变条件下，电荷畴对铁电薄膜铁电性能的影响；从界面电场、界面应变两个角度研究了界面对电荷畴结构的影响，进而分析这些因素对电荷畴薄膜铁电性能的影响。主要研究内容与结果如下：
　　1．考虑系统内部缺陷、杂质等因素产生的非均匀分布补偿电场，建立了铁电薄膜的电荷畴相场理论模型，并模拟得到了900电荷畴。同时研究了在不同电场下电荷畴的翻转。结果表明电荷畴的翻转与外加电场的方向相关：在正x轴电场作用下，电荷畴的翻转经历了首先由头头或尾尾相接的畴结构翻转为头尾相接的畴结构，然后再翻转为头头或尾尾相接的畴结构，最后到单畴的过程；而在负x轴电场作用下，电荷畴的翻转过程则为头头或尾尾相接的畴结构直接翻转为单畴结构；在y=-x方向(即电场方向与内建电场方向一致)的正负电场电场作用下，电荷畴翻转方式相同，都为由头头或尾尾相接的畴结构先翻转为头尾相接的畴结构再到单畴的过程。
　　2．采用相场方法，研究了电荷畴对薄膜铁电性能的影响。结果表明：在电荷畴系统中，矫顽场和剩余极化随外加电场频率的增加而增加，同时电滞回线呈现出不对称现象，其矫顽场和剩余极化强度值都比非电荷畴薄膜的值要小，并对电场频率具有较高的依赖性；矫顽场、剩余极化随外加交变电场强度的增加而增大；在相同的交变电场强度下电荷畴薄膜的矫顽场和剩余极化强度值比非电荷畴薄膜的要小；随着电荷密度的增加，电滞回线的不对称现象越明显。
　　3．采用相场理论，分别从界面电场和界面应变两个角度研究了界面对铁电性能的影响。结果表明：对称界面电场时，电荷畴系统中出现了非电荷畴壁与电荷畴壁共存的状态，矫顽场、饱和极化和剩余极化随界面电场强度的增加而减小；而在非对称界面作用下，薄膜的电滞回线随电场强度增加而愈发偏移；实际的失配应变对薄膜铁电性能的影响随厚度的增加迅速减弱，当薄膜厚度超过40nm时，失配应变的作用十分微弱。

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第1章 绪论

1.1 铁电材料概述

1.2 铁电材料中的畴结构

1.3 界面对铁电薄膜的影响

1.4 铁电畴的研究方法

1.5 本论文的选题依据及主要内容

第2章 电荷畴的模拟

2.1 基本相场理论

2.2 电荷畴的模拟

2.3 外加电场下电荷畴的演化

2.4 本章小结

第3章 电荷畴对薄膜铁电性能的影响

3.1 外加电场对铁电性能的影响

3.2 应变对铁电性能的影响

3.3 畴壁处电荷密度对铁电性能的影响

3.4 本章小结

第4章 界面对薄膜铁电性能的影响

4.1 界面问题的引入

4.2 对称界面电场的影响

4.3 非对称界面的影响

4.4 界面应变的影响

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

1 论文总结

2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的论文发表情况