铁电体畴结构和极化反转的计算机模拟

摘要

铁电材料是应用广泛的一大类功能材料，铁电性的有效利用和新功能效应的发现都有赖于对铁电性内在本质的深入理解。铁电体物理学是当代凝聚态物理学的一个重要分支。铁电体畴结构的理论和实验研究对理解铁电体极化反转过程及其相关物理性质有着十分重要的影响。深刻了解畴结构的形成过程及其动态过程对于控制和调节铁电材料的特性是非常必要的。先前对铁电体畴结构的研究主要有以下两个方面：一是基于最小自由能原理与居里原理之上的畴结构确定，包括畴尺寸、畴壁尺寸及相邻畴的取向关系等研究。另一是基于实验观测与运动模式推想相结合的动力学研究。 目前的畴结构的模拟主要是在伊辛(Ising)模型基础上进行的，模拟结果与实际的畴结构图案有较大的差别，而且在极化反转过程中不能够反映出畴的纵向长大过程。本工作利用计入四自旋相互作用的伊辛模型的格林函数方法进行计算机模拟，直观地显示铁电体的畴结构随外场电压的变化图样，从而对铁电体畴结构的反转机理进行了一些理论研究。这一模型所得结果可以与实验结果定量地符合，而且在足够大的四自旋相互作用下可以描述一级相变过程。本论文在二维伊辛模型基础上，运用蒙特卡罗方法展开了以下三方面的研究： (1)近邻和四自旋相互作用对铁电体畴结构影响的模拟。在被研究体系的哈密顿量中分别计入最近邻相互作用、最近邻与次近邻相互作用、最近邻与次近邻和第三近邻相互作用。采用蒙特卡罗方法进行模拟计算铁电体畴结构的动态演化和极化反转过程，讨论极化强度P和外电场E之间的关系曲线(P—E电滞回线)。两自旋相互作用对电畴的纵向长大趋势没有明显的影响；次近邻和第三近邻相互作用增强畴壁的运动，而不利于成核过程。为讨论铁电体中发生的一级相变，必须计入四自旋相互作用。因此，在前面计算的基础上在哈密顿量中计入四自旋相互作用以及与近邻相互作用。计算铁电体畴结构和电滞回线与近邻自旋相互作用下的区别。结果表面方型的四自旋相互作用对于畴的纵向生长起主要作用；T型的四自旋相互作用可以导致反铁电相的出现；在考虑最近邻、第三近邻和T型四体相互作用时，出现场致铁电一反铁电相变，电滞回线呈压扁状；在考虑最紧邻、第三近邻、T型和方型四体相互作用时，出现更加明显的场致铁电一反铁电相变。 (2)温度对铁电体畴结构和极化反转影响的模拟。温度对铁电体的畴结构和自发极化有着十分重要的影响。为了了解这个问题，我们模拟了点阵系统从随机产生的初态演化到与目标温度对应的平衡态的一个微观态。而平衡态的每个微观态给出了该温度下的各个格点自旋指向的一种分布，根据自旋指向分布可得到极化强度。在近邻、次近邻、三近邻和四自旋相互作用的Ising模型的基础上，利用蒙特卡转过程。计算结果表明铁电体的平均自发极化随温度的增加而减小，铁电体系统的剩余极化、矫顽力随温度的升高而下降。这是由于随着温度的升高，系统自旋组态变得更无序，使得反铁电更容易出现，导致了矫顽场的减小。并且，通过模拟不同温度下的畴结构图样，发现温度也可诱导畴结构类型的转化。 (3)电场对铁电体畴结构和极化反转的影响。在外加电场的作用下，铁电畴结构会发生变化，通过成核以后的畴壁的运动实现畴的转向。旅加电场时，极化强度平行于外加电场的畴将增大，而反平行于外电场的畴将缩小，当外加电场大于铁电材料的矫顽场时，铁电畴将发生反转。本人利用二自旋和四自旋相互作用的Ising模型，采用蒙特卡罗方法研究了不同电场强度下，铁电体畴结构的动态演化和极化反转过程。研究结果表明铁电体的平均自发极化随场强的增加而略有增加，矫顽场随场强的增加出现了少许的增大，而系统的剩余极化Pr基本保持不变。不同频率下铁电体系统的电滞回线，结果显示电滞回线逐渐变宽。这说明电场频率越高铁电体系统的矫顽场就越大。而电场频率的改变对剩余极化Pr的影响不大。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第一章绪论

第二章近邻和四自旋相互作用对铁电体畴结构影响的模拟

第三章温度对铁电体畴结构和极化反转影响的模拟

第四章电场对铁电体畴结构和极化反转影响的模拟

第五章结论

参考文献

致 谢

发表论文目录