外场作用下的铁电薄膜相变及电畴翻转

论文摘要

铁电薄膜因其具有独特的铁电性、压电性、介电性、热释电性以及非线性光学等性能,在现代微电子、微机电系统（MEMS）、信息存储等方面有着广泛的应用前景,已经成为当前新型功能材料研究的热点之一。一方面,研究铁电薄膜性质的两种重要的实验手段——压痕仪与扫描力显微镜（SFM）,都会给薄膜表面带来外场。铁电薄膜在外场作用下的相变,与其物理性质有着密切的关系,成为目前国际上高度关注的研究课题。另一方面,铁电薄膜的不均匀性和机械约束使铁电体呈电畴结构。电畴的结构、类型、大小及其运动规律决定了铁电体的物理性质和应用方向。铁电畴的实时观测是我们了解铁电薄膜许多性质的基础。本文从理论上研究了铁电薄膜在外场作用下的相变、介电及压电性质的变化,在实验上用扫描探针显微镜（SPM）实时观测铁电薄膜的电畴,并将实验与理论上的结果进行了比较。主要内容有:1、用非线性热力势函数,研究了外加应力及组分对生长在立方基底外延单畴Pb（Zr1-xTix）O3（PZT）薄膜的相图及物理性质的影响。通过数值计算,得到了PZT薄膜在不同组分（x=0.4,0.5,0.6,0.7,0.8和0.9）下的“外加应力-失配应变”相图。由相图可知,外加应力可以使薄膜发生铁电相变。在室温下,外加压应力能使薄膜的铁电相转变到顺电相。在薄膜的四方相（c相）和正交（aa相）之间存在一个膜平面内外都有非零极化分量的单斜（r）相,其在相图上的稳定范围随着Ti组分的增加而缩小。薄膜的介电系数和压电系数对相变非常的敏感。施加一个适当的外加应力,可以大幅度提高介电和压电系数。利用理论计算的结果,解释了压痕仪和扫描力电镜研究铁电薄膜时所观察到的实验现象。2、对描述生长在立方基底上的外延单畴铁电薄膜的热力势函数进行了改进,用来研究生长在正交基底上铁电薄膜在外加应力作用下的相变及物理性质。正交基底能引起铁电薄膜与基底界面处的非等轴失配应变。通过计算,得到了生长在正交基底上的PbTiO3 （PT）和BaTiO3 （BT）铁电薄膜的“失配应变-外加应力”和“外加应力-温度”相图。从相图上得知,外加应力可以改变薄膜的自发极化的极化方向及强度。在外加应力的作用下,对自发极化的稳定性进行了研究,这直接关系到铁电薄膜的应用范围。在室温下,生长在立方基底上的铁电薄膜在应力的作用下能发生铁电相到顺电相的转变,而对生长在正交基底上的铁电薄膜,这种相变被抑制了。铁电薄膜与基底界面处的非等轴失配应变导致薄膜出现了新的相。这些新的相有:自发极化方向平行于膜面内单胞轴的ai（i=1, 2）相,膜面内外都有极化的r相。铁电薄膜的介电和压电响应对相变非常敏感。对铁电薄膜施加一个适当的外力,可以大幅度的提高薄膜的介、压电系数。3、利用扫描探针显微镜SPM实时观察了铁电薄膜的电畴,并研究了电畴的翻转。通过对铁电薄膜的单个晶粒进行极化,得出了电畴的翻转电压为+6V。薄膜的晶界在压电响应相位图中非常的明显。它不但可以阻止畴壁的移动,还可以形成于外场方向相反的畴核,并且畴核在外场作用下不断扩张,直至电畴翻转。另外,铁电薄膜的铁电性能与电畴翻转的依赖性关系进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 铁电体及铁电薄膜的发展历史及应用前景
• 1.1.1 铁电薄膜研究的历史
• 1.1.2 铁电薄膜的性质和应用
• 1.2 铁电相变
• 1.2.1 铁电相变的定义及类型
• 1.2.2 铁电相变的研究现状及理论
• 1.3 铁电电畴
• 1.3.1 电畴的概念
• 1.3.2 铁电畴的观测方法
• 1.4 本论文研究的基本理论与方法
• 1.5 本论文研究的的主要内容、目的及意义
• 第二章 外加应力对立方基底铁电薄膜物理性能的影响
• 2.1 立方基底铁电薄膜的非线性热力势函数
• 2.2 外加应力对铁电薄膜PZT 相图的影响
• 2.3 外加应力对铁电薄膜PZT 介电性质的影响
• 2.4 外加应力对铁电薄膜PZT 压电性质的影响
• 2.5 外加应力对铁电薄膜PZT 铁电性能的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 外加应力对正交基底铁电薄膜物理性能的影响
• 3.1 正交基底铁电薄膜的非线性热力势函数
• 3.2 外加应力对铁电薄膜BT、PT 相图的影响
• 3.3 外加应力对铁电薄膜BT 和PT 薄膜介电性质的影响
• 3.4 外加应力对铁电薄膜BT 和 PT 薄膜压电性质的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 外场作用下铁电薄膜的电畴翻转
• 4.1 扫描力显微镜及其压电响应模式
• 4.2 铁电薄膜PZT 和 BNT 的原始畴观测
• 4.3 铁电薄膜BET 中单个晶粒的翻转电压
• 4.4 不同退火温度下的铁电薄膜BET 电畴翻转
• 4.5 不同外加电压下的铁电薄膜PZT 相变
• 4.6 本章小结
• 总结与展望
• 1 论文总结
• 2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间已公开发表的论文