铁电材料的畴结构演化和物理特性的相场方法模拟

1、铁电材料的畴结构演化和物理特性的相场方法模拟在科技日新月异的现代社会，具有多场耦合特性的先进材料的发 展，对于材料科学的促进作用越来越明显。在铁电材料中，这些耦合特 性包括电学-力学耦合（如压电效应和挠曲电效应）、电学-热学耦合 （如热释电效应）、磁学-电学耦合、以及介电特性等等。特别是具有 应变调制特性的铁电薄膜、复合材料和多层膜结构，更是拥有广阔的 发展前景。而上述这些特性几乎都与铁电材料极化矢量的动力学行为 有关，特别是极化矢量对于外部电场的响应。计算材料学是材料研究 中的一种重要工具,它是借助材料的微观结构特性来模拟计算其宏观 物理性质的方法。在本文中，将利用热力学计算方法以及相场方法

2、来 研究铁电材料的相关性质。首先，研究铁酸铋铁电薄膜中的多畴翻转 行为。本文构建了适用于铁酸铋薄膜的相场模型，利用该模型模拟计 算电场诱发的极化矢量翻转过程。计算结果验证了多畴翻转路径选择 所遵循的能量最小化机制，揭示了铁电多畴翻转模式。结果表明，在菱 形相薄膜的三种翻转路径中，71路径是多畴翻转的首选路径。并且 电场的方向、取值和变化率都会对多畴演化过程、以及系统达到平衡 状态时的畴结构造成影响。其次，利用铁酸铋的相场模型，研究了铁电 薄膜厚度对多畴翻转行为以及漏电流的影响。通过分析不同厚度薄膜 中各个路径的翻转速率，可以发现，71翻转路径依然是首选，但翻转 速率却因厚度而异。通过计算不同厚

3、度薄膜的电滞回线，可以得到薄 膜的矫顽场与厚度的非线性关系。结果表明，降低薄膜厚度，会增大诱 发极化矢量翻转所需的外加电场，同时会降低多畴翻转效率，使薄膜 完成多畴翻转的时间变长。再次，利用热力学计算的方法，研究元素掺 杂对钛酸钡物理性质的影响。基于热力学理论和实验数据，本文构建 了钙/锶掺杂钛酸钡固溶体的热力学势函数。利用该势函数，计算得到 了钙/锶掺杂钛酸钡固溶体的温度-成分相图，其中，钙掺杂固溶体的 居里温度和四方相极化矢量都不会受到掺杂的影响，但四方相-正交 相、正交相-菱形相转变温度会随掺杂量增大而降低。本文进一步分 析了元素掺杂量对固溶体极化矢量、介电常数、以及应变的影响。在 上述

4、热力学模型的基础上,考虑外加应力对材料电学特性和力学特性 的影响。结果表明，在恒温情况下,应力增大会引起相变，并且相变应 力会随掺杂量的增大而降低。经过整理和总结上述热力学计算结果， 本文得到了钙掺杂钛酸钡固溶体的温度-应力-成分三维相图。最后， 通过将钙掺杂固溶体的热力学势函数与相场计算方法相结合,本文得 到了固溶体从顺电相到平衡态铁电相的微观铁电畴结构演化过程。对 比不同成分下的畴结构可以直观地得到钙掺杂对固溶体显微结构的 影响。综上所述，本文从多种不同的角度对铁酸铋材料和钛酸钡材料 进行了系统地研究，利用相场方法，研究了铁电薄膜的畴结构演化过 程，分析了极化矢量的翻转路径,以及外加电场、薄膜厚度等因素对多 畴翻转行为的影响。利用热力学理论构建了钙/锶掺杂钛酸钡固溶体 的热力学势函数，并得到了固溶体的温度-成分相图、压力-成分相图、 以及最终的温度-压力-成分三维相图。得到的计算结果与实验吻合