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基于Monte Carlo方法的双层反铁电/铁电纳米薄膜的电性质研究

王泽远  
【摘要】:近年来被成功制备的各种铁电薄膜材质具有优良的物理和化学性能。反铁电/铁电薄膜具有高电系数、铁电性、热释电性以及压电性等显著性质,是一种非常优秀的功能材料,成为当前的研究热点。由于它的铁电性可以由自发极化、电畴结构、阻碍温度(居里温度)、电滞回线等体现,因此对于铁电薄膜的微观机理的研究和探索在理论与实验上具有实际的应用价值和重要意义。本文利用Monte Carlo模拟方法研究了由顶层自旋5/2和底层自旋2组成的反铁电/铁电混合赝自旋Ising双层膜结构,并且详细讨论了各种物理参数对系统的电学性质及热力学性质的影响。本文详细研究了晶场、交换耦合作用、外加电场和温度对反铁电/铁电双层膜的电矩、电极化率、内能、比热和阻碍温度的影响。获得了该系统在各种物理参数影响下的阻碍温度相图。研究结果表明,在晶场D2的作用下,系统的电矩P曲线更加丰富,这说明晶场D2对电矩P的影响比D1的更强。当改变晶场和交换耦合作用时,随着温度的升高,系统的电矩曲线出现了先升高再下降的现象,并表现出多样化的电矩饱和值。这些丰富的P曲线来源于晶场、交换作用与温度之间的竞争。降低晶场或增加交换耦合作用J1、|J3|以及外加电场E都可以提高阻碍温度TB,同时降低了系统的内能U,表明系统变得稳定。本文还讨论了不同物理参数对反铁电/铁电双层膜的电矩阶梯和电滞行为的影响。研究结果表明,晶场、交换耦合作用、温度对系统的结构的低温电性质和多环电滞回线有着重要影响。在较强的晶场中,子格自旋更倾向于长时间保持低自旋的状态,并且晶场越强,系统具有越多的电矩阶梯,反映系统在低温情况下具有越多的自旋组态。此外,在晶场和交换耦合作用的影响下,系统会出现双环、四环、十环以及十二环的电滞回线,电滞回线环的数目的增加是由于反铁电交换耦合作用与外加电场之间的竞争所致。交换耦合作用的增大会使环的面积明显增大。


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