微納尺度鐵電材料的熱力學(xué)理論和制備研究.pdf

1、微納尺度鐵電材料由于在高密度非易失性存儲(chǔ)、傳感器、光學(xué)器件和微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)等方面的巨大應(yīng)用潛力和前景，近年來(lái)掀起了理論和實(shí)驗(yàn)研究的熱潮。與體材料相比，微納米尺度鐵電材料受到了更多諸如尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、邊界條件、溫度、外加電場(chǎng)以及外延應(yīng)力的影響，這些因素在很大程度上改變了鐵電材料的關(guān)鍵性能，同時(shí)也提供了對(duì)鐵電材料關(guān)鍵性能進(jìn)行調(diào)控的途徑，因而對(duì)微納尺度，尤其是納米尺度鐵電材料的研究顯得意義重大，也成為近年的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

2、>　　 本文主要在理論上研究微納尺度下，尺寸效應(yīng)和表面化學(xué)狀態(tài)對(duì)鐵電材料相關(guān)性能的影響，同時(shí)從實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行鐵電納米管、鐵電薄膜的制備及表征和鐵電光電晶體的提拉法生長(zhǎng)研究。以下是本論文研究的主要思路、研究方法和相關(guān)結(jié)論：
　　 (1)基于熱力學(xué)理論，根據(jù)Landau-Ginzburg-Devonshire(LGD)方程對(duì)鐵電納米線進(jìn)行建模，考慮表面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和應(yīng)力等因素對(duì)自由能的貢獻(xiàn)，建立含時(shí)的Ginzburg-Laudau(

3、TDGL)方程。運(yùn)用變分原理和穩(wěn)定性分析方法求解，得到鐵電納米線的尺寸-相變溫度關(guān)系(S-T相圖)的解析式，進(jìn)一步探討在外力加載下鐵電納米線的S-T相圖并對(duì)其可能的應(yīng)用進(jìn)行分析。
　　 (2)將相場(chǎng)理論應(yīng)用于微納尺度鐵電薄膜的熱力學(xué)理論模型數(shù)值模擬中。在基于熱力學(xué)理論和LGD方程，考慮尺寸、表面效應(yīng)、失配應(yīng)變、退極化場(chǎng)等對(duì)自由能的貢獻(xiàn)后，對(duì)微納尺度鐵電薄膜進(jìn)行建模，建立TDGL方程。對(duì)所建立的模型進(jìn)行2維和3維的數(shù)值模擬，得到鐵

4、電薄膜的鐵電疇結(jié)構(gòu)，以及在表面補(bǔ)償電荷積累過(guò)程中薄膜內(nèi)部電疇的演化過(guò)程，揭示鐵電薄膜表面化學(xué)狀態(tài)對(duì)薄膜疇結(jié)構(gòu)和極化反轉(zhuǎn)的影響規(guī)律。
　　 (3)基于溶膠-電泳和陽(yáng)極氧化鋁模板輔助方法，制備PbTiO3(PTO)納米管，進(jìn)行相應(yīng)的形貌和結(jié)構(gòu)分析，采用紫外光刻技術(shù)制備出金屬-鐵電納米管-金屬(M-FN-M)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單根PTO納米管進(jìn)行Ⅳ曲線和電滯回線電性能測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的探討。
　　 (4)基于溶膠凝膠方法，