外延BaxSr1-xTiO3薄膜热力学性质的研究

论文摘要

BaxSr1-xTiO3（BST）材料作为纯的BaTiO3 和SrTiO3 的复合物,其性质是由两种材料综合决定。当量子顺电体SrTiO3 中掺入适当浓度的铁电体BaTiO3时,将会引入铁电性,出现由杂质诱发的顺电-铁电相变,因此BaxSr1-xTiO3根据材料中所含BaTiO3浓度的多少将表现出顺电和铁电两种不同的结构相。SrTiO3因为量子震荡的抑制作用即使在接近0K 时仍然没有表现出铁电-顺电相变,但BaTiO3的居里温度达到400K,通过调整合适的Ba2+和Sr2+的复合比例可以使BaxSr1-xTiO3薄膜获得满足不同要求的温度特征,例如Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜,其居里温度为280K,这将有利于在室温时获得巨大的介电常数。但对于外延BaxSr1-xTiO3薄膜因为其组分和微结构的不均匀性,薄膜内部的缺陷,以及基底和薄膜之间的晶格失配和热膨胀因子的不同产生的内部应力,导致外延薄膜产生许多有别于体材料和单晶材料的热力学性质。应力是影响外延铁电薄膜的本征机制,内部应力包括正应力和剪应力,而正应力有张应力和压应力之分。当基底晶格参数大于薄膜晶格参数时,材料内部会产生张应力;基底晶格参数小于薄膜晶格参数时,意味着压应力的出现。当铁电材料外延生长于较厚的基底上时,剪应力的影响可以忽略。因为内部应力的影响,外延BaxSr1-xTiO3薄膜将出现五个低温结构相,这有别于体材料的三个结构相,类似的影响也存在于外延的Pb(ZrxTi1-xO3薄膜中;当计入结构序参量时,SrTiO3外延薄膜中将出现八个结构相,其中包括五个铁电相。对于外延组分梯度的BaxSr1-xTiO3薄膜,当考虑内部应力的影响时,上下组分梯度薄膜将表现出不同的介电性质。此外,在非线性弹性近似下,外延薄膜由于序参量偏离体材料的值,在薄膜内部也会出现与序参量有关的应力效应。本文在朗道-德文希尔唯象模型的基础上,通过计入薄膜内部应力和与极化有关的应力作用,考虑了铁电序参量和应力之间的耦合作用,并运用了应力边界条件,获得了外延单畴的Ba0.6Sr0.4TiO3薄膜生长在较厚的立方基底MgO 和LaAlO3上时,应力对处于四方C 相（P1=P2=0, P3≠0）的薄膜介电非线性的影响,其中应力的改变是薄膜的厚度和沉积温度变化的结果。在朗道-金兹堡-德文希尔理论的基础上,通

论文目录

• 第一章 引言
• 1.1 实验研究概况
• 1.2 理论研究概况
• 1.3 本文的主要工作
• 参考文献
• 0.6Sr_0.4TiO₃薄膜的非线性介电响应'>第二章 外延 Ba_0.6Sr_0.4TiO₃薄膜的非线性介电响应
• 2.1 介电常数的电场依赖性
• 2.2 热释电系数的电场依赖性
• 2.3 结论
• 参考文献
• 3薄膜介电行为的影响'>第三章 失配应变和外部电场对外延 SrTiO₃薄膜介电行为的影响
• 3.1 模型和理论
• 3.2 数值结果和讨论
• 3.3 结论
• 参考文献
• 1-xSr_xTiO₃薄膜介电性质的影响'>第四章 应力分布对组分梯度 Ba_1-xSr_xTiO₃薄膜介电性质的影响
• 4.1 模型和理论
• 4.2 计算结果及讨论
• 4.3 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间完成论文
• 致谢
• 详细摘要