铁电薄膜的取向与应变工程的理论研究

作     者：韩宇航 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：白刚

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：铁电薄膜 取向工程 应变工程 相变 压电 电卡 

摘      要：铁电薄膜具备优异的介电、压电、热电性能,普遍应用于存储器、传感器、探测器等电子器件中,为了提高铁电器件的稳定性和集成度,则需充分发挥铁电薄膜材料的物理性能,其中应变和取向工程作为调控铁电薄膜性能的重要手段,可以有效提高铁电薄膜的介电、压电性能,因此铁电薄膜的应变和取向工程受到广泛关注。本文基于唯象非线性热力学理论系统研究了不同晶体取向下铁电薄膜在外场作用下的性能变化。首先根据欧拉角转动规则得到(111)、(110)、(310)取向全局坐标与晶体坐标的转换矩阵,再根据极化和应力张量在不同晶体取向坐标间的转换方式,推导出完善的铁电薄膜热力学势,从而可以系统研究等轴面内应变、各向异性面内应变、面外应力、电场及温度对铁电薄膜相结构、介电性能、压电性能及电卡性能的影响。本文主要研究结果如下:(1)通过计算发现(111)取向Pb Ti O铁电薄膜在等方双轴应变作用下,存在单斜M和M相以及三方R相和顺电PE相,在拉应变的作用下,M-PE相变附近介电性能ε远高于ε和ε;在居里温度以下,压应变诱发R-M相界处存在较高的介电性能ε、ε;同时在三相点(体居里点)及M-M临界点附近,M相中存在高介电性能ε及压电性能d。室温下各向异性面内应变诱发晶体结构呈现单斜M和M相、三方R相以及三斜T相,在压应变u与较小拉应变u共同作用下,M-T相界附近存在高介电性能ε、ε及压电性能d;在四相点附近,小压应变u与u诱发M相中出现高介电性能ε、ε及压电性能d;另外,u与u都为拉应变时,三斜相中发生T-like—R-like转变,引起较高的介电性能ε、ε及压电性能d。同时电场导致薄膜弹性软化,引起优异的压电性能d响应。同样还探究了(111)取向各向同性KNaNb O铁电薄膜的电卡性能,发现面内错配应变及面外应力可以有效改变铁电薄膜的居里温度,在30MV/m的电场作用下,无面外应力和零错配应变时,居里温度附近最大电卡温变ΔT可高达18K,虽然约-6.7GPa的面外应力可以有效将居里温度降至室温,但代价是最大电卡温变ΔT降至7.5K。(2)对于(110)取向等方双轴应变作用下的Pb Ti O铁电薄膜,存在低温单斜M和M相、正交O相、四方T相和高温顺电PE相,在压应变作用下,O-PE相界处存在高介电性能ε及压电性能d,O-M相界处存在高介电性能ε;同时在拉应变作用下,PE-T相界处存在高介电性能ε,M-T相界附近也存在高介电性能ε。另外室温下各向异性面内应变诱发薄膜存在单斜M、M及M相,正交O相、四方T相和三方R相,在较大的压应变u作用下,M-T相界附近存在高介电性能ε及压电性能d,O-M相界附近存在高介电性能ε,O-M相界附近存在高介电性能ε。同样电场导致薄膜弹性模量下降,引起优异的压电性能d响应。另外(110)取向各向同性Pb Ti O铁电薄膜的最佳电卡性能出现在居里温度附近、零错配应变作用下,压应变诱发O-PE相变并不能显著提升高温下铁电薄膜的电卡性能,而拉应变导致M-T相界附近存在较高的电卡温变ΔT。在30MV/m的电场作用下,无面外应力和零错配应变时,(110)取向各向同性薄膜在居里温度附近的最大电卡温变ΔT可达16.7K。(3)在(310)取向各向同性Pb Ti O铁电薄膜中,不同错配应变与温度作用下,薄膜出现单斜M相、三斜T相和顺电PE相,压应变诱发M-PE相界附近出现高介电性能ε及压电性能d;拉应变作用下,M-T相界附近存在高介电性能ε,M-PE相界及体居里点附近存在高介电性能ε。在室温下各向异性面内应变诱发铁电薄膜出现单斜M相、三斜T相和四方T相,u与u都为拉应变时,M-T相界附近存在高介电性能ε,T-T相界附近存在高介电性能ε;压应变u和拉应变u作用下,M-T相界附近存在高介电性能ε;另外在四相点附近,T相中存在高介电性能ε及压电性能d。同样电场诱发相变导致压电性能d增加原因是电场作用下薄膜发生弹性软化。对于(310)取向各向同性Pb Ti O铁电薄膜,高温下压应变诱发M-PE相界附近存在高电卡性能。在30MV/m的电场作用下,无面外应力和零错配应变时,(310)取向各向同性Pb Ti O铁电薄膜在居里温度附近的最大电卡温变ΔT可达20K。