开路和短路电学边界外延铁电薄膜的畴结构及铁电性能

作者:雷俐莎;林晓辉;周志东 刊名:厦门大学学报(自然科学版) 上传者:胡安源

【摘要】考虑基体对外延铁电薄膜内畴变的约束,采用应力函数方法求解外延铁电薄膜畴变时的本征应力,并结合相场法分析了不同电学边界条件下铁电薄膜的畴结构与极化强度.对短路电学边界下PbTiO3外延铁电薄膜畴结构的计算表明,由a畴到a/c/a畴转变时的薄膜厚度与采用有限元方法模拟的结果十分接近.通过对开路电学边界下铁电薄膜畴结构的分析发现,由a畴到a/c/a畴转变时的薄膜厚度远大于短路条件下的转变厚度.基体约束引起的应力变化使得薄膜内畴结构出现a畴和a/c/a畴的分层.铁电薄膜的平均自发极化强度随厚度的增加而增加,从a畴向多畴转变后,极化强度有显著的增加.

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第 5 7 卷 第 1 期 厦门大学学报(自然科学版) Vol.57 No.1 201 8 年 1 月 Journal of Xiamen University (Natural Science) Jan.201 8 http:∥jxmu.xmu.edu.cn doi:10.6043/j.issn.0438-047 9.201 70303 6 开路和短路电学边界外延铁电薄膜的 畴结构及铁电性能 雷俐莎,林晓辉,周志东* (厦门大学 材料学院,福建省特种先进材料重点实验室,福建 厦门 3 6 1 005) 摘要:考虑基体对外延铁电薄膜内畴变的约束,采用应力函数方法求解外延铁电薄膜畴变时的本征应力,并结合相场 法分析了不同电学边界条件下铁电薄膜的畴结构与极化强度.对短路电学边界下 PbTiO 3 外延铁电薄膜畴结构的计算 表明,由 a 畴到 a/c/a 畴转变时的薄膜厚度与采用有限元方法模拟的结果十分接近.通过对开路电学边界下铁电薄膜畴 结构的分析发现,由 a 畴到 a/c/a 畴转变时的薄膜厚度远大于短路条件下的转变厚度.基体约束引起的应力变化使得薄 膜内畴结构出现 a 畴和 a/c/a 畴的分层.铁电薄膜的平均自发极化强度随厚度的增加而增加,从 a 畴向多畴转变后,极 化强度有显著的增加. 关键词:应力函数;开路电学边界;短路电学边界;相场法;铁电畴结构 中图分类号:O 484.1 文献标志码:A 文章编号:0438-047 9(201 8)01-000 1-08 收稿日期:201 7-03-21 录用日期:201 7-05-24 基金项目:国家自然科学基金(1 1 5 722 7 1) *通信作者:zdzhou@xmu.edu.cn 引文格式:雷俐莎,林晓辉,周志东.开路和短路电学边界外延铁电薄膜的畴结构及铁电性能[J].厦门大学学报(自然科学版), 201 8,5 7(1):1-8. Citation:LEI L S,LIN X H,ZHOU Z D.Domain structures and ferroelectric property under open and short circuit electrical boundary in epitaxial ferroelectric thin films[J].J Xiamen Univ Nat Sci,20 1 8,5 7(1):1-8.(in Chinese) 外延铁电薄膜具有优良的铁电、压电和介电性 能,在微电子和微机械领域应用十分广泛[1].铁电薄膜 的物理特性优于块体铁电材料,这些特性与铁电薄膜 的畴结构有密切联系.一个完整的畴结构由畴和畴壁 构成,当 它 处 于 不 同 的 外 加 条 件 下 时,如 外 加 电 场[2-5]、机械载荷[6-9]、电学边界[10-1 3]等,畴结构会发生 形核和畴壁运动,并形成一个新的畴结构.不同的畴结 构对铁电材料的性能会产生很大的影响,所以理解和 预测外加条件对铁电畴结构的作用十分重要. 已经有大量的理论和实验研究对不同边界条件 下的畴结构进行了分析.Li 等[1 1]基于相场法预测了不 同电学边界条件下薄膜的畴结构,通过求解复杂的弹 性边值问题得到了弹性能对总自由能的影响,验证了 退极化电场和极化强度相互作用对薄膜的畴结构有 显著的影响.Junquera 等[14]通过第一性原理计算发现 表面覆盖电极的 BaTiO 3 铁电薄膜在某个临界厚度下 会失去铁电性,指出内电场是其铁电性能不稳定的主 要原因.Hong

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