准低维铁电材料相变及介电性质尺寸效应的理论研究

【摘要】： 随着低维铁电材料制备技术的不断提高和实际应用的日益广泛,材料表现出的尺寸效应引起了人们的广泛关注。本论文从理论上研究了铁电薄膜、纳米铁电陶瓷和铁电颗粒的物理性质(相变性质、介电性质)随材料尺寸的变化规律,深刻分析了尺寸效应的成因。具体内容如下: 一、引入非理想表面层及自然边界条件,利用热力学宏观理论研究了铁电薄膜中的尺寸效应。考虑到薄膜非理想表面层以及金属电极的存在,推广了已有的理论模型合理的解释了二级和一级铁电薄膜的相变及介电性质随膜厚的变化规律。 二、用推广的Gingzburg-Landau-Devonshire(GLD)理论研究了纳米BaTiO_3陶瓷中的晶粒尺寸效应。考虑到致密陶瓷中内部应力和晶粒尺寸的影响,对GLD自由能表达式中的部分系数进行了修正,通过理论计算,首次全面地分析了纳米BaTiO_3陶瓷中三个相变温度和介电性质随晶粒尺寸的变化规律,并对更小晶粒尺寸(20 nm)下BaTiO_3陶瓷的相变规律给出了进一步预测。 三、采用平均场近似理论,在横场Ising模型的框架下研究了铁电颗粒中相变性质和介电性质随粒径变化的规律。首次引入了颗粒的过渡层概念,合理地解释了铁电颗粒测量中观测到的尺寸效应。 本论文的理论结果与实验数据基本吻合,合理的解释了尺寸效应的成因,并提出了进一步的理论预测,为铁电器件的超小型化、集成化的研究和应用提供了理论依据,具有重要的指导意义。