微观结构对铁电电畴影响机理的相场理论研究
发布时间:2017-08-18 13:45
本文关键词:微观结构对铁电电畴影响机理的相场理论研究
更多相关文章: 铁电薄膜 界面失配应变 位错 相场模拟 挠曲电耦合效应
【摘要】:非易失性铁电存储器因其优良的特性而有着广泛的应用前景,被认为是最有潜力的存储装置。但是铁电存储器也存在一系列亟待解决的失效问题,主要包括疲劳、印记及保持性能损失。铁电存储器的失效现象本质上与铁电薄膜的极化(畴结构)有关。因此要解决铁电存储器的可靠性问题,就必须要研究影响铁电薄膜畴结构演化的因素及其内在的影响机理。界面失配应变、位错等微观结构会对铁电薄膜的畴结构产生重要的影响。关于界面失配应变,已有的研究表明铁电材料界面的失配应变会对畴壁产生影响,但其影响的内部机理尚不明确,需要进一步研究。位错作为一种常见的缺陷,通常会是极化翻转过程中新畴的潜在成核点,这是因为位错附近存在较大的应变梯度,应变梯度与极化通过挠曲电效应发生耦合产生挠曲电极化,从而对铁电薄膜畴结构产生很大的影响。但已有的位错相场理论模型中,并没有考虑挠曲电效应,因此需要对模型进行进一步的优化。本论文的主要工作包括以下几个方面:(1)建立了基于有限元的相场模型。在本文的模型中,失配应变是直接施加于界面处。利用此模型研究了界面失配应变对畴壁移动、倾斜角变化、应变梯度及畴壁能的影响,证明了界面失配应变对畴的形状、畴壁性能具有调控作用。(2)建立了位错相场模型,并在此模型基础上考虑挠曲电效应的影响,对已有模型进行修正。研究了不同的挠曲电系数11f、12f、44f单独和组合作用时位错对极化的影响。模拟结果与实验结果对比发现,综合考虑三种挠曲电耦合方式时,位错对畴结构的作用效果与实验吻合。而不考虑或者只考虑其中一种或两种时,模拟得到的结果要弱于实验结果。(3)以Pb(Zr0.1Ti0.9)O3(PZT)为研究对象,研究了考虑挠曲电效应时单个位错对极化的影响。分别考虑了位错存在于界面处的单畴中、薄膜内的单畴中、90o畴a畴中、90o畴c畴中几种情况。研究表明在位错的位置,新的畴会形成。(4)研究了考虑挠曲电效应时,周期位错对极化和极化响应的影响。分别研究了处于界面处的单畴中、薄膜内的单畴中、90o畴中的周期位错对极化的影响。结果表明在挠曲电效应的影响下,多个位错会对极化产生很大的钉扎作用,从而导致薄膜的极化翻转变得困难以及剩余极化的减小。
【关键词】:铁电薄膜 界面失配应变 位错 相场模拟 挠曲电耦合效应
【学位授予单位】:湘潭大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TM221;TP333
【目录】:
- 摘要4-5
- Abstract5-9
- 第1章 绪论9-23
- 1.1 铁电材料及铁电存储器概述9-15
- 1.1.1 铁电材料简介9-11
- 1.1.2 铁电存储器分类及优势11-14
- 1.1.3 铁电存储器的失效问题及产生原因14-15
- 1.2 铁电存储器内微观结构的影响机理及研究现状15-21
- 1.2.1 铁电薄膜界面失配应变的影响机理及研究现状15-16
- 1.2.2 铁电薄膜位错的影响机理及研究现状16-21
- 1.3 本论文的选题依据和主要内容21-23
- 1.3.1 本论文的选题依据21-22
- 1.3.2 本论文的主要内容22-23
- 第2章 有限元计算方法与相场理论介绍23-34
- 2.1 相场理论及经典相场模型建立23-26
- 2.1.1 经典相场理论简介23-24
- 2.1.2 经典相场模型建立24-26
- 2.2 挠曲电效应相场模型建立26-29
- 2.2.1 挠曲电耦合效应简介26-28
- 2.2.2 挠曲电相场模型建立28-29
- 2.3 有限元方法29-32
- 2.4 本章小结32-34
- 第3章 失配应变对铁电薄膜 90o 畴结构的影响34-40
- 3.1 铁电薄膜失配应变相场模型建立34-35
- 3.1.1 几何模型、边界条件及铁电薄膜材料参数34-35
- 3.1.2 有限元离散35
- 3.2 模拟结果与讨论35-39
- 3.3 本章小结39-40
- 第4章 位错相场模型的建立40-49
- 4.1 仅考虑压电效应的位错相场模型40-43
- 4.1.1 几何模型与边界条件40-41
- 4.1.2 有限元离散41
- 4.1.3 模拟结果41-43
- 4.2 考虑挠曲电效应的位错相场模型43-48
- 4.2.1 考虑挠曲电效应的位错相场模型建立44
- 4.2.2 有限元离散44-45
- 4.2.3 模拟结果与分析讨论45-48
- 4.3 本章小结48-49
- 第5章 单位错对铁电薄膜畴结构的影响49-59
- 5.1 引言49
- 5.2 模型建立49-51
- 5.3 计算结果与讨论51-57
- 5.3.1 不同取向的界面位错对单c畴结构的影响51-52
- 5.3.2 薄膜内部不同取向的位错对单c畴结构的影响52-54
- 5.3.3 薄膜内部位错对多畴结构的影响54-57
- 5.4 本章小结57-59
- 第6章 周期位错对铁电薄膜畴结构及极化响应的影响59-68
- 6.1 引言59
- 6.2 模型建立59-60
- 6.3 计算结果与讨论60-67
- 6.3.1 界面周期位错对单c畴结构的影响60-62
- 6.3.2 薄膜内周期位错对单c畴结构影响62-64
- 6.3.3 薄膜内部周期位错对多畴结构影响64-66
- 6.3.4 周期位错对铁电薄膜极化响应影响66-67
- 6.4 本章小结67-68
- 第7章 总结与展望68-70
- 7.1 论文总结68-69
- 7.2 研究展望69-70
- 参考文献70-75
- 附录:刃型位错的应力场75-83
- 致谢83-84
- 个人简历与在学期间发表的学术论文84
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,本文编号:694913
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