表面過渡層對鐵電薄膜介電性質(zhì)的影響.pdf

1、鐵電薄膜無論從基礎(chǔ)研究還是技術(shù)上來看，都已成為當(dāng)今最活躍的研究領(lǐng)域之一。因?yàn)殍F電薄膜具有獨(dú)特的介電性、鐵電性和壓電性等特性，被廣泛地應(yīng)用于微系統(tǒng)、存儲(chǔ)器和高頻電器元件等領(lǐng)域。隨著科技的日益發(fā)展，使得鐵電薄膜制備技術(shù)趨于完善，基于鐵電薄膜器件的小型化成為可能。然而，隨之而來的尺寸效應(yīng)，導(dǎo)致鐵電薄膜的物理性質(zhì)嚴(yán)重偏離相應(yīng)體材料的性質(zhì)。至今，尺寸效應(yīng)仍然是倍受人們關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)課題。與此同時(shí)，人工合成的鐵電雙層膜、多層膜、超晶格和梯度模，引起

2、了物理研究學(xué)者的極大興趣。人們驚訝地發(fā)現(xiàn)，不同成分的鐵電薄膜層合適地配置能夠改善器件性能，或者創(chuàng)造新的功能。例如，可以通過制備鐵電多層膜或超晶格來獲得反鐵電行為。這些結(jié)構(gòu)層間的耦合和相互作用能夠強(qiáng)烈地影響薄膜的生長條件和材料物理性質(zhì)。它們?yōu)殍F電薄膜在器件上的應(yīng)用創(chuàng)造了新的候選材料和提供了新的機(jī)會(huì)。這些奇異的現(xiàn)象主要來源于層間相互作用的性質(zhì)，但同時(shí)也來源于制備過程中不可避免的雜質(zhì)、缺陷、表面和界面應(yīng)力以及不同組分間的界面效應(yīng)等因素，并且這

3、些因素都是原生的。它們的存在會(huì)造成薄膜結(jié)構(gòu)的局部差異，從而會(huì)在薄膜的表面或界面附近產(chǎn)生結(jié)構(gòu)過渡區(qū)。因此，對表面或界面過渡層作用的基礎(chǔ)研究，不但具有理論研究意義而且具有非常實(shí)際的研究價(jià)值。
　　本文就是在這樣的背景下，基于平均場近似下的軟模理論、Landau唯象理論和平均場近似下的Ising模型理論，來研究含有表面或界面過渡層鐵電薄膜的介電響應(yīng)。
　　在平均場近似下的軟模理論框架下，我們研究了含有表面過渡層的鐵電薄膜動(dòng)態(tài)性質(zhì)。

4、研究結(jié)果表明表面過渡層的存在是薄膜與體材料之間的動(dòng)態(tài)性質(zhì)差別的根本原因。在任意溫度下，表面過渡層的存在使薄膜平均阻尼系數(shù)增大，軟模頻率降低。而且薄膜的平均介電常數(shù)的實(shí)部和虛部隨頻率或溫度變化的曲線峰變寬，峰值降低且峰位向低頻或低溫區(qū)移動(dòng)。
　　我們采用GLD唯象理論，研究了含有表面過渡層鐵電雙層膜的極化和介電性質(zhì)。研究結(jié)果表明，表面過渡層不利于體系處在鐵電相，而鐵電間界耦合(鐵電雙層膜中兩個(gè)薄膜層間的相互作用)有利于體系處在鐵電相

5、。由于表面過渡層和鐵電間界耦合之間的競爭，體系應(yīng)該存在一個(gè)介電性質(zhì)轉(zhuǎn)變點(diǎn)。如果鐵電間界耦合的作用小于表面過渡層的作用，體系可能會(huì)出現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)的相變，并且介電極化率升高；反之，體系不會(huì)出現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)的相變，并且介電極化率降低。鐵電雙層膜的這種反常行為是由于表面過渡層與鐵電間界耦合之間競爭的結(jié)果。通過控制表面過渡層參量和鐵電間界耦合系數(shù)，我們可以得到不同情況時(shí)鐵電雙層薄膜的物理性質(zhì)。我們在鐵電雙層膜中考慮表面過渡層的作用，解釋了實(shí)驗(yàn)上所觀察到

6、似乎矛盾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
　　基于平均場近似下的橫場Ising模型，我們研究了含有反鐵電間界耦合的鐵電雙層膜的電滯回線和介電極化率。我們選取兩個(gè)不同的鐵電層A和B，體材料贗自旋相互作用分別為JA和JB(JA

7、層贗自旋相互作用強(qiáng)度Jb1和Jb2以及兩個(gè)臨界表面過渡層隧穿頻率Ωa1<Ωa，當(dāng)Jb1