运用朗道理论研究铁电材料的电畴结构及其物理特性

发布时间：2020-04-16 05:49

【摘要】：铁电材料是一种应用广泛的功能材料,具有压电、介电和热电等性能,在电子器件中有广泛的应用。铁电材料的性能除了与材料的化学成分和品质有关,还受到电畴结构的影响。例如,含铅铁电固溶体Pb(Zr_(1-x)Ti_x)O_3(PZT)和Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-x PbTiO_3(PMN-x PT)的准同型相界组分表现出很高压电性能,这个高压电性能与单斜相电畴的形成相关。改变材料内部的电畴形貌、电畴尺寸和结构可以改善材料的压电、介电和热电等性能,有利于铁电材料的实际应用。然而,目前对某些特殊电畴结构的形成机理仍然不够清楚,如何利用电畴结构来增强材料的物理性能的研究仍然不够深入。因此,通过理论研究电畴结构的形成机制以及电畴在外场下表现的特性对提高材料的应用性能大有裨益。本文结合铁电朗道唯象理论和相场模拟方法,从以下几个方面研究了铁电材料的电畴结构及其对铁电材料物理性能的影响。首先,本文利用有限差分算法,将铁电朗道理论的自由能方程和时间相关的朗道-金兹堡方程进行离散化,通过计算机编程得到了模拟电畴结构的相场模型。给出电畴结构模拟的边界条件和参数的无量纲化的处理,并研究弹性能和梯度能对稳态电畴结构的影响。为进一步理论研究不同铁电材料中电畴结构及其物理特性提供基础。利用朗道理论和相场模拟,对PZT铁电固溶体不同组分的电畴结构进行研究,着重研究PZT铁电体在准同型相界组分形成单斜相的物理机理及其压电性能。在准同型相界组分四方相和三方相共存时,两种晶相的晶格失配会在界面处产生很大的失配应变。失配应变导致电畴之间的弹性相互作用有可能引起电畴结构的改变,针对这个问题,对两相间的失配应变随组分的变化进行计算,并分析当朗道自由能中考虑失配应变时的表达形式。进一步利用相场模拟,研究电畴内的应力和应变分布,讨论电畴间的弹性相互作用对电畴结构的影响及电畴的压电特性。计算结果表明,两相之间失配应变的弹性作用会改变材料的电畴结构,导致单斜相电畴的形成。并且,单斜相电畴相对于四方相电畴具有更高的压电系数。对铁电纳米线-聚合物复合材料中涡旋电畴结构进行研究,并讨论涡旋电畴的介电储能特性。首先,建立BaTiO_3铁电纳米线-聚合物复合材料电畴结构模拟的物理模型。当材料中不存在电荷缺陷和自由电荷,铁电纳米线中有可能形成涡旋电畴。利用相场模拟对这种涡旋电畴结构的形成机理进行分析,并计算了涡旋电畴结构在外电场下的转变行为。计算结果表明,纳米线中涡旋电畴的形成,会极大地减小电滞回线的剩余极化强度和包围面积,从而增强材料的介电储能密度和储能效率。对铁电材料电畴和晶粒的尺寸效应进行理论研究,并讨论电畴尺寸和晶粒尺寸对材料室温电卡性能的影响。首先利用相场模拟不同尺寸的电畴结构,计算沿电场方向的电卡系数随温度和电场的变化。计算结果表明,电畴尺寸越小的铁电体表现出更高的电卡性能。进一步研究晶粒尺寸对室温电卡性能的影响,根据朗道理论计算出不同尺寸铁电纳米颗粒在室温附近的电卡系数和绝热温度改变。计算结果表明,通过改变铁电纳米颗粒的尺寸,可以调节颗粒的居里温度到室温附近,从而可以有效地增强材料在室温的电卡性能。
【图文】：

示意图,晶格结构,铁电体,钙钛矿

第 1 章绪论会发生铁电到铁电相变，比如 BaTiO3晶体,在 120℃温度发生顺电，，晶格从立方相变成四方相，随着温度降低到 5℃以下，材料发生相变，晶格由四方相转变成正交(Orthogonal, O)相。当温度进一步降以下，晶格结构则由正交相转变成铁电三方(Rhombohedral, R)相。构相变会导致材料力学、电学等性质的突变。

示意图,自发极化,晶相,方向

图 1-2 不同晶相中自发极化方向示意图Fig. 1-2 Schematic diagram of spontaneous polarization directions in different phases表 1-1 钙钛矿铁电体自发极化状态[19]Table 1-1 Polarization states of perovskite type ferroelectrics[19]晶系对称性极化状态极化方向立方相 m3m P1=P2=P3=0 顺电相四方相 4mm P1=P2=0, P3≠0 <001>正交相 mm2 P1=0，P2=P3≠0 <011>三方相 3m P1=P2=P3≠0 <111>单斜 MA相 m2123322210,0,PPPPP>=≠≠
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

【相似文献】