外延钙钛矿薄膜中铁电相变的唯象理论研究

【摘要】：铁电薄膜由于具有优良的介电性、压电性、铁电性和热释电性及其在微电子和光电子中的潜在应用,已经引起人们广泛的研究兴趣。外延应变对钙钛矿铁电薄膜的结构相变、相关性能如介电和压电响应有显著的影响。本论文利用朗道-金兹堡-德文希尔理论对外延钙钛矿薄膜中铁电相变及其物理性质进行了研究。主要研究内容和结果如下： 1.对于外延生长在立方衬底上的KNbO3薄膜,等方双轴错配应变导致四方顺电相,铁电四方c相,铁电正交aa相,和铁电单斜r的出现。然而,体材料KNbO3只存在立方顺电相,铁电四方相,铁电正交相和铁电菱方相。KNbO3薄膜中的相变都是二级的,而体材料KNbO3中的相变都是一级相变。无论张应变还是压应变都提高了铁电相变的居里温度。介电常数ε11和ε33分别在c-r和r-aa相变点趋于无穷大。 2.对于外延生长在正交衬底上的KNbO3薄膜。各向异性错配应变会导致正交相(a1,a2)和单斜相(a1c,a2c)的出现。值得注意的是,这些相是在外延生长在立方衬底上的薄膜中没有出现的。各向异性错配应变使薄膜中的顺电相的对称性从四方降低到正交。因此,铁电相的对称性也被降低了。错配应变的各向异性导致等方双轴错配应变下形成的正交aa相转变为单斜相a1a2(自发极化从单胞的平面内面对角线偏转),单斜相转r变为三斜相r'(自发极化从单胞的(110)面偏转)。错配应变的各向异性也导致介电性质的各向异性。 3.切应变抑制了自发极化沿单胞[100]方向的正交a相的形成。切应变提高了顺电相p到铁电相aa的居里温度。切应变使c-r和r-aa相变边界向压应变方向移动。切应变会增加平面内的自发极化但是降低了平面外自发极化。相应地,切应变提高了r相的介电常数ε33,降低了aa相的介电常数ε33。在等方双轴应变条件下,当a12*2a11*0,a相在顺电相p和铁电aa相之间的狭长区域是稳定存在的,ac相稳定存在于c相与r相之间的狭长区域。