铁电薄膜压电非线性的理论研究

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随着集成技术的不断发展,微型存储器、驱动器得到越来越多的重视。铁电薄膜具有诸多优异性能,如低电场下的极化反转、较高的介电系数和介电可调性、较大的压电效应等,在铁电存储器件及微型传感驱动器件中都有广泛的应用。由于铁电薄膜受到衬底应力效应、表面效应、退极化场效应和尺寸效应的影响,其物理性能与相应的块体性能有显著的差异。其中常用的锆钛酸铅系列压电材料由于其制备工艺简单、成本低廉、物理性能优异,而受到广泛关注。但目前考虑衬底应变、表面效应、尺寸效应等对锆钛酸铅系列薄膜的物理性能的影响还没有全面的研究。本文利用唯象理论,详细对比表面能、退极化场、错配应变等对铁电体自由能方程的贡献,采用与时间有关的金兹堡-朗道方程求解薄膜内电极化强度分布及响应的介电和压电性能。本文主要内容包括:(1)基于朗道理论,构建了铁电体及薄膜系统的自由能方程,并对方程进行修正,引入了表面能、错配应力项、退极化场项和静电能项。利用差分法求解依赖时间的金兹堡-朗道动力学方程,获得极化强度稳定解。(2)对铁电块体的电极化强度、介电系数及压电系数的关系进行了理论推导。通过分析铁电块体的组分、外界温度及外加电场,获得了这些因素对块体中铁电极化、压电效应等的影响。(3)通过对块体自由能函数进行修正,对较厚薄膜仅考虑衬底错配应变的影响,分析了铁电极化性能、介电性能和压电性能,并与块体的物理性能进行对比,总结错配应力对薄膜性质的影响;对于较薄薄膜,通过全面考虑系统中的错配应力、退极化场及表面能,得出了不同尺寸下各种因素对薄膜物理性质的影响。
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