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磁电特性的定量近场微波显微术

胡泊  
【摘要】:本文分为四个部分(四章):第一部分是磁电材料和近场微波显微术的文献综述,其后三个部分是基于近场微波显微镜的应用拓展,包括第二部分对薄膜介电常数的定量表征,第三部分对非线性介电常数的定量表征,以及在第二部分和第三部分基础上发展起来的对磁电系数的定量表征。 第一章介绍了相关的背景知识。磁电材料是近期材料科学的研究热点。本章介绍了磁电材料的研究历史、分类及当前的研究现状。其后,详细介绍了本文磁电测量的技术手段:近场微波显微术的发展历史、仪器结构和基本原理,并举例说明了近场微波显微镜的应用。最后,说明了本论文的研究内容及意义。 第二章是近场微波显微术对薄膜介电常数的定量表征。针对近场微波显微镜针尖与体材料之间的相互作用,首先采用有限元的数值方法建模分析。由于模型的复杂性,占用了大量的计算时间和计算机资源。进一步的分析证明,有限元方法难以模拟近场情况下幅度变化极快的电磁场,其计算结果有严重的误差。其后,在体材料的定量理论:像电荷法的基础上,详细分析了针尖-薄膜-衬底三者间电荷的镜像过程,提出了多重像电荷法的概念,并将其用于薄膜的定量表征。针对镜像过程中产牛的大量像电荷,开发了一种快速算法,在保证计算精度的基础上极大地提高了计算速度。冉后,对几种常用的衬底体系进行了计算,获得了像电荷总量(该电荷量正比于近场微波显微镜的显微信号)随薄膜厚度、薄膜介电常数的变化情况,提出了像电荷总量随膜厚变化的拟合公式,并对其中的拟合系数进行了讨论,为解析公式的提出奠定了基础。 第三章是近场微波显微术对非线性介电常数的定量表征。通过在针尖-样品底电极间外加调制电压,配合锁相放大器探测有效介电常数的微小变化,可以测量材料的非线性介电常数。然而,由于样品内电场分布的复杂性,给结果的定量化带来了困难。在前人半定量工作的基础上,采用数值方法,计算获得了关键的校准系数,从而将结果定量化。针对薄膜内尤其复杂的电场分布,开发了一套快速算法用于薄膜内电场的数值计算,解决了薄膜非线性介电常数定量表征的困难。其后,对LiNbO_3单晶、LiTaO_3单晶、PbTiO_3薄膜和Ba_(0.1)Sr_(0.9)TiO_3薄膜进行了比对测量,并通过与其它方法测量结果的比较,证实了理论计算的有效性。同


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