晶体取向相关的低维铁电材料物理性能的研究

摘要

近年来，铁电薄膜、铁电纳米线、铁电纳米柱以及铁电纳米颗粒等低维铁电材料由于具有多种优异的物理性能，如介电性、压电性、热释电性和光电性等，在铁电存储器、红外探测器、高频电容器、纳米传感器及纳米发电机等微纳器件上具有十分广泛的应用。近期实验研究表明，除了通过施加传统的电场、外力等来改变铁电材料的物理性能以外，还可以通过制备择优取向的铁电材料来提高其性能，晶体取向对低维铁电材料如铁电薄膜和铁电纳米线的物理性能影响更为明显。对于（001）取向的低维铁电材料物理性能的研究，无论是实验方面还是理论方面都已十分成熟，然而对于其它晶体取向低维铁电材料性能的研究还十分匮乏，现有的结果基本都是基于实验的定性分析，缺乏深入的机理性研究。
　　本文利用非线性的Landau-Ginsburg-Devonshire（LGD）热力学理论结合低维铁电材料的力学边界条件建立了适用于不同晶体取向的单晶单畴和单晶多畴铁电薄膜的有效能表达式，从理论上预报了晶体取向对铁电薄膜物理性能的调控。利用相场模型，分别从宏观和微观上分析了不同晶体取向对于铁电单晶薄膜、多晶铁电薄膜和铁电纳米柱物理性能的影响。主要研究工作如下：
　　（1）对于外延（110）和（111）取向的BaTiO3（BTO）和PbTiO3（PTO）单晶铁电薄膜，建立了对应晶体取向下的热力学单畴模型，计算并分析了晶体取向、应变和温度对单晶单畴铁电薄膜物理性能（电极化、相变温度、相图、介电性能和压电性能）的影响。
　　（2）根据LGD热力学理论，考虑密排多畴模型，建立了（110）和（111）取向的BTO单晶多畴铁电薄膜的有效能表达式，计算并分析了晶体取向、应变和温度对于单晶多畴铁电薄膜物理性能（电极化、相变温度、相图、介电性能和压电性能）的影响。利用相场模型分析了不同晶体取向下的单晶 BTO铁电薄膜在不同温度和应变下畴结构的演变过程，通过与 LGD热力学理论得到的结果进行比较，定性和定量的分析结果的合理性和一致性。
　　（3）建立（110）和（111）取向的多晶多畴铁电薄膜的相场模型，计算分析了不同取向、应变和电场对于（110）和（111）取向下PTO多晶薄膜的畴结构、电极化、介电性能和压电性能的影响。
　　（4）对于（001）、（110）和（111）取向的单晶铁电纳米柱，利用相场模型分析了不同取向下结合不同应变和温度对于PTO纳米柱的畴结构、电极化、电热效应的影响。
　　综上所述，晶体取向对于铁电薄膜、铁电纳米柱等低维铁电材料的物理性能具有十分重要的影响，通过晶体取向结合应变、温度、电场等能有效地优化铁电材料的性能，为新型智能材料的应用提供新的思路。因此本文的研究工作对新型微纳器件的设计及性能的优化具有十分重要的理论指导意义。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景与意义

1.2 晶体取向对于铁电材料性能影响的研究现状

1.3 本课题主要研究内容

第2章 晶体取向对单晶单畴铁电薄膜物理性能影响的研究

2.1 引言

2.2 考虑晶体取向的单晶单畴铁电薄膜的热力学模型

2.3 晶体取向对单晶单畴铁电薄膜的铁电性能的影响

2.4 晶体取向对单晶单畴铁电薄膜压电性能的影响

2.5 本章小结

第3章 晶体取向对单晶多畴铁电薄膜物理性能影响的研究

3.1 引言

3.2 考虑晶体取向的单晶多畴铁电薄膜的热力学模型

3.3 晶体取向对单晶多畴铁电薄膜铁电性能的影响

3.4 晶体取向对单晶多畴铁电薄膜介电和压电性能的影响

3.5 考虑晶体取向的单晶多畴铁电薄膜的相场模型

3.6 晶体取向对单晶多畴铁电薄膜畴结构的影响

3.7 本章小结

第4章 晶体取向对多晶铁电薄膜物理性能影响的研究

4.1 引言

4.2 多晶铁电薄膜计算方法及模型

4.3 晶体取向对多晶铁电薄膜的畴结构的影响

4.4 晶体取向对多晶铁电薄膜的极化翻转的影响

4.5 晶体取向对多晶铁电薄膜的介电性能和压电性能的影响

4.6 本章小结

第5章 晶体取向对铁电纳米柱物理性能影响的研究

5.1引言

5.2考虑晶体取向的铁电纳米柱的相场模型

5.3 晶体取向对铁电纳米柱的铁电性能的影响

5.4 晶体取向对铁电纳米柱电热效应的影响

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果