铁电体畴结构和极化反转的计算机模拟

【摘要】：铁电材料是应用广泛的一大类功能材料，铁电性的有效利用和新功能效应的发现都有赖于对铁电性内在本质的深入理解。铁电体物理学是当代凝聚态物理学的一个重要分支。铁电体畴结构的理论和实验研究对理解铁电体极化反转过程及其相关物理性质有着十分重要的影响。深刻了解畴结构的形成过程及其动态过程对于控制和调节铁电材料的特性是非常必要的。先前对铁电体畴结构的研究主要有以下两个方面：一是基于最小自由能原理与居里原理之上的畴结构确定，包括畴尺寸、畴壁尺寸及相邻畴的取向关系等研究。另一是基于实验观测与运动模式推想相结合的动力学研究。 目前的畴结构的模拟主要是在伊辛(Ising)模型基础上进行的，模拟结果与实际的畴结构图案有较大的差别，而且在极化反转过程中不能够反映出畴的纵向长大过程。本工作利用计入四自旋相互作用的伊辛模型的格林函数方法进行计算机模拟，直观地显示铁电体的畴结构随外场电压的变化图样，从而对铁电体畴结构的反转机理进行了一些理论研究。这一模型所得结果可以与实验结果定量地符合，而且在足够大的四自旋相互作用下可以描述一级相变过程。 本论文在二维伊辛模型基础上，运用蒙特卡罗方法展开了以下三方面的研究： (1)近邻和四自旋相互作用对铁电体畴结构影响的模拟。在被研究体系的哈密顿量中分别计入最近邻相互作用、最近邻与次近邻相互作用、最近邻与次近邻和第三近邻相互作用。采用蒙特卡罗方法进行模拟计算铁电体畴结构的动态演化和极化反转过程，讨论极化强度P和外电场E之间的关系曲线(P-E电滞回线)。两自旋相互作用对电畴的纵向长大趋势没有明显的影响；次近邻和第三近邻相互作用增强畴壁的运动，而不利于成核过程。为讨论铁电体中发生的一级相变，必须计入四自旋相互作用。因此，在前面计算的基础上在哈密顿量中计入四自旋相互作用以及与近邻相互作用。计算铁电体畴结构和电滞回线与近邻自旋相互作用下的区别。结果表面方型的四自旋相互作用对于畴的纵向生长起主要作用；T型的四自旋相互作用可以导致反铁电相的出现；在考虑最近邻、第三近邻和T型四体相互作用时，出现场致铁电-反铁电相变，电滞回线呈压扁状；在考虑最紧邻、第三近邻、