外場(chǎng)作用下的鐵電薄膜相變及電疇翻轉(zhuǎn).pdf

1、鐵電薄膜因其具有獨(dú)特的鐵電性、壓電性、介電性、熱釋電性以及非線(xiàn)性光學(xué)等性能，在現(xiàn)代微電子、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、信息存儲(chǔ)等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為當(dāng)前新型功能材料研究的熱點(diǎn)之一。一方面，研究鐵電薄膜性質(zhì)的兩種重要的實(shí)驗(yàn)手段——壓痕儀與掃描力顯微鏡(SFM)，都會(huì)給薄膜表面帶來(lái)外場(chǎng)。鐵電薄膜在外場(chǎng)作用下的相變，與其物理性質(zhì)有著密切的關(guān)系，成為目前國(guó)際上高度關(guān)注的研究課題。另一方面，鐵電薄膜的不均勻性和機(jī)械約束使鐵電體呈電疇結(jié)構(gòu)。

2、電疇的結(jié)構(gòu)、類(lèi)型、大小及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定了鐵電體的物理性質(zhì)和應(yīng)用方向。鐵電疇的實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)是我們了解鐵電薄膜許多性質(zhì)的基礎(chǔ)。本文從理論上研究了鐵電薄膜在外場(chǎng)作用下的相變、介電及壓電性質(zhì)的變化，在實(shí)驗(yàn)上用掃描探針顯微鏡(SPM)實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)鐵電薄膜的電疇，并將實(shí)驗(yàn)與理論上的結(jié)果進(jìn)行了比較。主要內(nèi)容有：
　　 1、用非線(xiàn)性熱力勢(shì)函數(shù)，研究了外加應(yīng)力及組分對(duì)生長(zhǎng)在立方基底外延單疇Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)薄膜的相圖及物理性質(zhì)的影響。

3、通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得到了PZT薄膜在不同組分(x=0.4，0.5，0.6，0.7，0.8和0.9)下的“外加應(yīng)力-失配應(yīng)變”相圖。由相圖可知，外加應(yīng)力可以使薄膜發(fā)生鐵電相變。在室溫下，外加壓應(yīng)力能使薄膜的鐵電相轉(zhuǎn)變到順電相。在薄膜的四方相(c相)和正交(aa相)之間存在一個(gè)膜平面內(nèi)外都有非零極化分量的單斜(r)相，其在相圖上的穩(wěn)定范圍隨著Ti組分的增加而縮小。薄膜的介電系數(shù)和壓電系數(shù)對(duì)相變非常的敏感。施加一個(gè)適當(dāng)?shù)耐饧討?yīng)力，可以大幅度提高介

4、電和壓電系數(shù)。利用理論計(jì)算的結(jié)果，解釋了壓痕儀和掃描力電鏡研究鐵電薄膜時(shí)所觀(guān)察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
　　 2、對(duì)描述生長(zhǎng)在立方基底上的外延單疇鐵電薄膜的熱力勢(shì)函數(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，用來(lái)研究生長(zhǎng)在正交基底上鐵電薄膜在外加應(yīng)力作用下的相變及物理性質(zhì)。正交基底能引起鐵電薄膜與基底界面處的非等軸失配應(yīng)變。通過(guò)計(jì)算，得到了生長(zhǎng)在正交基底上的PbTiO3 (PT)和BaTiO3 (BT)鐵電薄膜的“失配應(yīng)變-外加應(yīng)力”和“外加應(yīng)力-溫度”相圖。從相圖上

5、得知，外加應(yīng)力可以改變薄膜的自發(fā)極化的極化方向及強(qiáng)度。在外加應(yīng)力的作用下，對(duì)自發(fā)極化的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，這直接關(guān)系到鐵電薄膜的應(yīng)用范圍。在室溫下，生長(zhǎng)在立方基底上的鐵電薄膜在應(yīng)力的作用下能發(fā)生鐵電相到順電相的轉(zhuǎn)變，而對(duì)生長(zhǎng)在正交基底上的鐵電薄膜，這種相變被抑制了。鐵電薄膜與基底界面處的非等軸失配應(yīng)變導(dǎo)致薄膜出現(xiàn)了新的相。這些新的相有：自發(fā)極化方向平行于膜面內(nèi)單胞軸的ai(I=1，2)相,膜面內(nèi)外都有極化的r相。鐵電薄膜的介電和壓電響應(yīng)對(duì)