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多层结构铁电系统的物理性质研究

吴银忠  
【摘要】: 本文在横场伊辛模型、朗道相变理论以及静电场等理论的框架内,对铁电薄膜、铁电双层膜、铁电三明治结构以及含有杂质层的铁电多层膜和含有偶极缺陷的二维偶极点阵系统等多层铁电系统的相变、热电、介电、电滞行为等物理性质进行了深入研究。 主要内容如下: (1)过去许多研究工作往往忽略了铁电材料中的长程相互作用,但实验表明长程相互作用在铁电材料中却是很重要的。在这篇论文里,我们在横场伊辛模型和朗道唯象理论的框架内引入长程相互作用。采用超越平均场理论计算了长程相互作用对铁电薄膜的物理性质的影响,发现长程相互作用的增强将使铁电薄膜的居里温度升高、临界横场增大、临界尺寸下降。 (2)界面是在铁电多层膜系统的制备过程中必然存在。我们首次在长程相互作用的框架内,考察了界面对双层膜的热电、介电等物理性质的影响,且量子效应的增强会导致铁电双层薄膜的热电系数和介电极化率的某些峰的消失。当铁电双层膜的界面耦合为反铁电耦合时,发现在适当的材料厚度、反铁电耦合强度、横场和温度的匹配下可以观察到多态电滞回线。我们对多态电滞回线的产生和消失作了更详细的研究,发现量子效应对多态电滞回线有重要影响,量子效应的增强会导致多态电滞回线的消失。 (3)界面对铁电多层结构系统的热电性质影响很大,具有一定厚度的界面的铁电双层结构可以看成是一个铁电三明治结构。我们应用静 多层结构铁电系统的物理性质研究摘要 电场理论,推广了铁电双层膜的热电理论,给出了铁电三明治结构的 有效热电系数,发现在界面层的热电系数与上下两层的热电系数差异 较大,且界面层的介电常数较小的情况下,三明治这种复合结构材料 的有效热电系数比单一组份材料的热电系数可以提高一到两个数量 级。这在理论上对热电器件的设计有一定的指导意义。 (4)杂质也是铁电材料制备过程中不可避免的。我们首次研究了无 极化杂质层对铁电多层膜极化和介电极化率的作用。杂质层的增厚会 导致多层膜的极化和介电极化率的降低。杂质层的空间位置的变化, 如由中心对称位置向表面方向移动,会导致多层膜的相变温度升高, 介电极化率由一个峰变为两个峰,多层膜的极化随温度升高出现跳跃 下降(Step一like polarization)。 (5)对具有偶极缺陷的铁电系统的电滞行为的研究,我们不仅考虑了 偏离平衡位置,取向可以随外场的改变和热扰动而重新取向的偶极缺 陷,还同时考虑了偶极极化取向固定的偶极缺陷,在两维偶极子的点 阵模型中,引入了上述两种类型的偶极缺陷,利用M。nte一Carlo方法, 研究了偶极缺陷对铁电系统的Swi t ching行为的影响。模拟结果表明 偶极缺陷会导致SwitChing慢化。在外场转向的情况下,偏离平衡位 置的偶极缺陷会引起缺陷周围的偶极子的两次90度反转,而极化取 向固定的这类偶极缺陷不会导致偶极子的90度反转。


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