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铁电薄膜相变性质的高阶格林函数研究

卢兆信  
【摘要】:铁电薄膜与相应的块体材料相比具有一系列优良的特殊性质,例如铁电性、压电性、介电性、热释电性、热光效应、电光效应、声光效应、光折变效应以及非线性光学效应等,在现代光电子学和微电子学两大领域中均具有重要的或潜在的应用价值,所以受到物理学家和材料学家的广泛关注。铁电薄膜的物理性质不同于相应的块体材料,有时即使材料和成分一样、制备工艺过程细节完全相同,但所有研究结果表明仍然存在一些个体的差异。导致这种情况的原因有可能是由于薄膜制备过程中受到杂质、缺陷、表面应力和界面应力以及不同组成成分间的界面效应等众多因素的影响,也有可能来源于薄膜不同结构层之间的交换相互作用。因此不管是基础实验还是理论研究,对铁电薄膜相变性质的研究都具有重要的实际和理论意义。基于以上原因,本论文基于横场Ising模型,利用费米型格林函数方法研究了铁电薄膜的相变性质。 本论文的主要研究内容和结论如下: (1)为了探讨铁电薄膜各交换相互作用和横场参数以及薄膜层数对相图的影响,特别是各交换相互作用和横场参数过渡值之间的内在关系。本论文利用费米型格林函数方法系统地研究了铁电薄膜体内交换相互作用J b、表面横场Ωs和体内横场Ωb以及层数N对相图的影响,并详细地讨论了当薄膜系统由铁电相占主导地位相图(FPD)向顺电相占主导地位相图(PPD)转变过程中各相互作用及横场参数存在的过渡值特性。最后将体内交换相互作用J b和表面横场Ωs以及体内横场Ωb的过渡值构成的集合[ J bc ,Ωsc ,Ωbc]在三维过渡值参数空间[ J b ,Ωs ,Ωb]中以曲面图形式展示。同时,我们也将计算结果与通常平均场近似以及关联有效场理论进行了对比。 (2)在关联有效场理论的框架内,将微分算子技术进行推广研究了具有双表面层的铁电薄膜相变性质。利用推导所获得的一个解析通式方程详细地讨论了铁电薄膜各交换相互作用和横场参数以及薄膜层数对双表面铁电薄膜相图的影响,并计算了各个相互作用参数的过渡值特性。通过与通常平均场理论近似进行比较,发现关联有效场理论和高阶格林函数一样可以在某种程度上消减通常平均场理论近似对铁电薄膜铁电性的夸大。 (3)本论文通过对比表面层数分别为单表面层、双表面层时铁电薄膜相图中的不依赖于薄膜层数N的共同相交交点坐标和各相互作用参数的过渡值特性,详细地研究了薄膜的表面层数对铁电薄膜相变性质的影响。结果表明,在通常平均场近似、关联有效场理论和费米型格林函数技术三种理论近似方法的框架内,表面层数的改变必然会导致薄膜相图中共同相交交点的坐标发生变化,而当体内层数相同,表面层数的改变则不会改变薄膜各相互作用和横场参数的过渡值,但双表面铁电薄膜相图中的铁电相区域范围要大于单表面铁电薄膜相图中的。 (4)在计入四体相互作用后,利用费米型高阶格林函数方法研究了铁电薄膜系统中的一级相变问题,详细分析了交换相互作用和横场参数以及薄膜层数对具有外延层表面的铁电薄膜的一级相变性质的影响。结果表明,外延表面层中的交换相互作用和横场参数以及薄膜层数的变化会显著地影响铁电薄膜的一级相变。


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