失配应变对铁电薄膜电热效应影响的热力学研究
发布时间：2021-04-07 00:34
电场的变化使得铁电材料内部偶极子的有序度改变,从而发生绝热温度变化,从而可以用于制冷。相对于块体材料,铁电薄膜可以承受更大击穿电场从而获得更大的绝热温变。优异的电热效应响应通常发生在相界附近,而铁电薄膜与基底之间的晶格失配应变会影响铁电薄膜相结构和相界,这为通过失配应变改善铁电薄膜材料的电热效应响应提供了机遇。但在电热效应理论研究中失配应变的取值通常是任意假设的,并没有考虑其失配应变的真正来源。为此,本文基于热力学理论,结合熵分析方法,以Pb(Zr1-xTix)O3（PZT）薄膜为材料对象,通过考虑失配应变的来源,研究了基底和膜厚所致失配应变对铁电薄膜电热效应的影响,主要研究内容及结果如下:（1）基于热力学唯象理论,研究了外加电场方向、面内失配正应变、面内失配剪应变对PZT薄膜电热效应的影响。结果表明失配应变使得铁电材料展现出更多的相结构,面内剪切应变影响着面内极化方向的组合,且较强的电热效应一般存在于相界附近。当施加[001]电场时,在面内失配正应变的作用下,富含Ti的PZT薄膜在正交-单斜相界处有较强的正电热效应响应...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铁电材料钙钛矿结构示意图
湘潭大学硕士学位论文2体中心位置的B则为钛原子，六个面心位置是O原子，是典型的含氧八面体结构。图1.1铁电材料钙钛矿结构示意图图1.1中的钙钛矿结构在外温度尝力尝电场下可能发生对称性变化，进而引起其结构发生变化，这类现象被称为“铁电相变”。通常当温度高于某一温度时，此时材料的自发极化消失，呈现出顺电相；而当温度低于这一温度时，自发极化出现使得其呈现铁电相，这一临界温度被称为居里温度。图1.2BaTiO3晶体相结构随温度的变化示意图以BaTiO3晶体为例，其相结构随温度的变化如图1.2所示。当温度低于120℃（钛酸钡的居里温度）时，此时钛酸钡结构中的原子发生位移变化，即会产生四方相、正交相、六方相等结构，这些相具有铁电性，被称为铁电相。当施加的温度处于5℃~120℃之间时，此时钛原子会沿着晶胞四重轴的方向发生移动，从而形成四方相；当温度处于-90℃~5℃之间时，钛原子会沿着二重轴方向移动，从而形成正交相；当温度低于-90℃时，钛原子由于沿着三重轴方向发生移动，从而形成六方相。而高于120℃时，此时钛酸钡结构中的原子高度对称性，呈现电荷中性，被称为立方相结构，即顺电相。一般相结构不同的铁电材料，其性能不同，尤其相结构转换过程中，性能将可能呈现异常特征[24-26]。
第1章绪论31.1.3铁电材料的特性及应用铁电材料既是一类电介质材料，也是一类压电材料，还属于热释电材料。这几类材料的关系如图1.3所示。铁电材料的这些多种特性并存的特点使得铁电材料在很多领域都有着非常广泛的应用，比如计算机存储、电子器件等等。图1.3铁电体与电介质、压电体、热释电体的关系图(1)铁电性铁电材料具有铁电性。铁电性主要指在一定的温度范围内，铁电晶胞中的正、负电荷中心不重合，导致在没有电场作用下有电偶极矩的存在，进而产生自发极化。自发极化在电场的作用下可以发生翻转[27,28]，这可以在电滞回线中得以体现，如图1.4所示。图1.4中电滞回线的纵坐标P为铁电体的极化强度，横坐标为电常图1.4中O点代表材料未经过极化，因此其内部的偶极子随机排列，整体宏观极化为零。当晶体受到外电场的作用时，极化强度的变化如图1.4的OB曲线，即随着电场强度的的增大而增大；当电场强度达到一定值时，即B点处，此时极化的方向与电场方向保持一致且极化强度也达到最大值，达到饱和状态；随后，当电场减小时，极化强度也相应变小，但当电场强度减小到0时，晶体的极化强度为Pr非零，该极化强度被称为剩余极化强度。随后，对晶体施加相反方向的电场时，极化强度随着反向电场的增大而逐渐减小，当极化强度减小到0时，此时所对应的电场被称为矫顽场Ec，即D点；继续增大反向电场，此时极化强度也随之增大且其方向与反向电场方向保持一致，如曲线DF；当反向电场增加到一定值时，极化强度会反向达到饱和。最后，逐渐撤除反向电场，并再次施加正向电场，便可得到图1.4中的电滞回线。铁电性使得铁电材料在存储器等领域中有巨大的应用前景[29-31]。
本文编号：3122454
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铁电材料钙钛矿结构示意图
湘潭大学硕士学位论文2体中心位置的B则为钛原子，六个面心位置是O原子，是典型的含氧八面体结构。图1.1铁电材料钙钛矿结构示意图图1.1中的钙钛矿结构在外温度尝力尝电场下可能发生对称性变化，进而引起其结构发生变化，这类现象被称为“铁电相变”。通常当温度高于某一温度时，此时材料的自发极化消失，呈现出顺电相；而当温度低于这一温度时，自发极化出现使得其呈现铁电相，这一临界温度被称为居里温度。图1.2BaTiO3晶体相结构随温度的变化示意图以BaTiO3晶体为例，其相结构随温度的变化如图1.2所示。当温度低于120℃（钛酸钡的居里温度）时，此时钛酸钡结构中的原子发生位移变化，即会产生四方相、正交相、六方相等结构，这些相具有铁电性，被称为铁电相。当施加的温度处于5℃~120℃之间时，此时钛原子会沿着晶胞四重轴的方向发生移动，从而形成四方相；当温度处于-90℃~5℃之间时，钛原子会沿着二重轴方向移动，从而形成正交相；当温度低于-90℃时，钛原子由于沿着三重轴方向发生移动，从而形成六方相。而高于120℃时，此时钛酸钡结构中的原子高度对称性，呈现电荷中性，被称为立方相结构，即顺电相。一般相结构不同的铁电材料，其性能不同，尤其相结构转换过程中，性能将可能呈现异常特征[24-26]。
第1章绪论31.1.3铁电材料的特性及应用铁电材料既是一类电介质材料，也是一类压电材料，还属于热释电材料。这几类材料的关系如图1.3所示。铁电材料的这些多种特性并存的特点使得铁电材料在很多领域都有着非常广泛的应用，比如计算机存储、电子器件等等。图1.3铁电体与电介质、压电体、热释电体的关系图(1)铁电性铁电材料具有铁电性。铁电性主要指在一定的温度范围内，铁电晶胞中的正、负电荷中心不重合，导致在没有电场作用下有电偶极矩的存在，进而产生自发极化。自发极化在电场的作用下可以发生翻转[27,28]，这可以在电滞回线中得以体现，如图1.4所示。图1.4中电滞回线的纵坐标P为铁电体的极化强度，横坐标为电常图1.4中O点代表材料未经过极化，因此其内部的偶极子随机排列，整体宏观极化为零。当晶体受到外电场的作用时，极化强度的变化如图1.4的OB曲线，即随着电场强度的的增大而增大；当电场强度达到一定值时，即B点处，此时极化的方向与电场方向保持一致且极化强度也达到最大值，达到饱和状态；随后，当电场减小时，极化强度也相应变小，但当电场强度减小到0时，晶体的极化强度为Pr非零，该极化强度被称为剩余极化强度。随后，对晶体施加相反方向的电场时，极化强度随着反向电场的增大而逐渐减小，当极化强度减小到0时，此时所对应的电场被称为矫顽场Ec，即D点；继续增大反向电场，此时极化强度也随之增大且其方向与反向电场方向保持一致，如曲线DF；当反向电场增加到一定值时，极化强度会反向达到饱和。最后，逐渐撤除反向电场，并再次施加正向电场，便可得到图1.4中的电滞回线。铁电性使得铁电材料在存储器等领域中有巨大的应用前景[29-31]。
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