纳米尺度铁电电畴结构及其运动的扫描力显微镜研究

摘要

本论文采用压电响应扫描力显微镜（Piezoresponse-SFM，PFM）研究纳米尺度下铁电薄膜和纳米岛的电畴结构及其运动规律。研究内容包括PFM实验仪器的优化、纳米电畴结构的重现和电畴运动过程的实时原位观测。从研究手段上，实现了电畴观测的5nm分辨率并发展了电畴运动过程的实时观测方法。进而，利用高分辨PFM研究了铁电薄膜的电畴结构和电畴运动机制。发现薄膜中晶粒的结晶取向、晶粒大小和晶粒边界条件直接影响其电畴的形态复杂程度。薄膜中复杂畴态的存在，很容易形成直接相接的正交a－a畴壁。这些畴壁的移动能力因畴壁界面电荷的存在而被增强，并带来薄膜局域压电性能的提升。对铁电纳米岛中电畴结构的研究则发现其电畴结构的尺度效应完全不同于薄膜。铁电纳米岛的“单畴－多畴”临界转变尺寸小于40 nm，而薄膜的临界尺寸是150 nm。而且，纳米岛中非均匀应力场的存在使得其电畴结构出现介稳态电畴结构，即非对称畴和弯曲畴壁。应力场不但影响这低维铁电体系中的电畴静态结构，而且影响着电畴在电场中的运动。利用多层薄膜结构改变基片对铁电薄膜的应力钳制作用后，薄膜中90°畴壁的移动率有显著提高，并且出现了独特的a－a畴面内90°旋转。a－a畴面内反转过程中借助纳米针形45°畴核的中介作用巧妙避免了大量应力的产生。这些研究结果有助于对纳米尺度下铁电电畴行为及其本质的进一步了解，以及高性能铁电器件的开发和利用。同时，还表明非均匀应力场在低维铁电体系中的作用是未来一个特别值得注意的研究方向。

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第一章 引言

第二章 铁电性、压电性和电畴

2．1 铁电性与压电效应

2．2 铁电电畴

2．3 极化反转－电畴结构的演变

第三章 实验

3．1 扫描力显微镜原理

3．2 扫描力显微镜的电畴成像方法

3.3 实验仪器

3．4 样品制备

第四章 铁电薄膜和铁电纳米岛的电畴结构

4．1 检测手段的验证

4.2 PFM的电畴高分辨成像

4.3 铁电薄膜与纳米岛的电畴结构

第五章 纳米尺度铁电电畴的运动

5．1 电畴演变过程－实验方法

5.2 正交90°畴壁的运动

5.3 带状a－a畴的面内反转

第六章 结论与展望

附录A 压电响应与晶体取向的关系

参考文献

致谢

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