准低维铁电材料相变及介电性质尺寸效应的理论研究

论文摘要

随着低维铁电材料制备技术的不断提高和实际应用的日益广泛,材料表现出的尺寸效应引起了人们的广泛关注。本论文从理论上研究了铁电薄膜、纳米铁电陶瓷和铁电颗粒的物理性质（相变性质、介电性质）随材料尺寸的变化规律,深刻分析了尺寸效应的成因。具体内容如下:一、引入非理想表面层及自然边界条件,利用热力学宏观理论研究了铁电薄膜中的尺寸效应。考虑到薄膜非理想表面层以及金属电极的存在,推广了已有的理论模型合理的解释了二级和一级铁电薄膜的相变及介电性质随膜厚的变化规律。二、用推广的Gingzburg-Landau-Devonshire（GLD）理论研究了纳米BaTiO3陶瓷中的晶粒尺寸效应。考虑到致密陶瓷中内部应力和晶粒尺寸的影响,对GLD自由能表达式中的部分系数进行了修正,通过理论计算,首次全面地分析了纳米BaTiO3陶瓷中三个相变温度和介电性质随晶粒尺寸的变化规律,并对更小晶粒尺寸（<20 nm）下BaTiO3陶瓷的相变规律给出了进一步预测。三、采用平均场近似理论,在横场Ising模型的框架下研究了铁电颗粒中相变性质和介电性质随粒径变化的规律。首次引入了颗粒的过渡层概念,合理地解释了铁电颗粒测量中观测到的尺寸效应。本论文的理论结果与实验数据基本吻合,合理的解释了尺寸效应的成因,并提出了进一步的理论预测,为铁电器件的超小型化、集成化的研究和应用提供了理论依据,具有重要的指导意义。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 铁电材料研究的历史
• 1.2 主要的应用方向和研究进展
• 1.2.1 铁电薄膜
• 1.2.2 铁电陶瓷
• 1.2.3 铁电颗粒
• 1.3 理论方法介绍
• 1.3.1 朗道－德文希尔理论简介
• 1.3.2 铁电相变的软模理论及横场Ising 模型
• 1.3.3 第一性原理计算
• 1.4 本论文的研究内容及意义
• 第二章 铁电薄膜中表面效应和尺寸效应的研究
• 2.1 引言
• 2.2 推广的GLD自由能表达式及理论模型
• 2.3 二级相变铁电薄膜介电性质的讨论
• 2.4 一级铁电薄膜相变性质的讨论
• 2.5 本章小结
• 第三章 纳米钛酸钡陶瓷尺寸效应的研究
• 3.1 引言
• 3.2 普遍的自由能公式及参量
• 3.3 理论模型的建立
• 3.3.1 应力效应
• 3.3.2 尺寸效应
• 3.3.3 推广的自由能公式
• 3.3.4 晶界的作用
• 3 陶瓷结构相变及介电性质的影响'>3.4 晶粒尺寸对纳米BaTiO₃陶瓷结构相变及介电性质的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 铁电颗粒相变性质的研究
• 4.1 引言
• 4.2 模型和理论方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 关于赝自旋耦合系数的讨论
• 4.3.2 关于隧穿系数的讨论
• S和Ω_S 共同作用下的尺寸效应'>4.3.3 J_S和Ω_S共同作用下的尺寸效应
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表及待发表论文情况
• 作 者 简 历
• 摘要
• Abstract
• 致谢