氧化鉿由于具有優(yōu)良的硅工藝兼容性,有望成為最具潛力的新一代鐵電材料。然而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其核心特征—鐵電疇（或疇壁）的結(jié)構(gòu)和演化的研究較少,尤其在理論上仍處于空白階段。闡明氧化鉿鐵電薄膜的疇壁結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律有利于深入了解材料的物理機(jī)制,對(duì)實(shí)現(xiàn)氧化鉿基鐵電存儲(chǔ)器件的大規(guī)模應(yīng)用具有重要意義。因此,本文基于密度泛函理論對(duì)氧化鉿鐵電薄膜中可能存在的疇壁結(jié)構(gòu)及其演化進(jìn)行了研究,從疇壁演化的角度揭示了氧化鉿鐵電體的極化翻轉(zhuǎn)和鐵電性激活的微觀機(jī)制,并對(duì)典型疇壁的電子結(jié)構(gòu)和氧缺陷分布進(jìn)行了分析。具體研究?jī)?nèi)容如下:（1）氧化鉿從高對(duì)稱的立方相到低對(duì)稱的正交鐵電相轉(zhuǎn)變過(guò)程中可以產(chǎn)生6種變體（忽略相反的極化方向）�；谶@6種變體預(yù)測(cè)并構(gòu)建了10種不同類型的鐵電疇壁,包括三種180°疇壁、三種極化旋轉(zhuǎn)90°疇壁和四種極化傾斜90°疇壁。（2）在對(duì)180°疇壁進(jìn)行預(yù)測(cè)和計(jì)算后確定了三種180°疇壁的原子結(jié)構(gòu),得到了每種結(jié)構(gòu)的疇壁能,同時(shí)也模擬了疇壁的遷移。其中type-1的疇壁能最低,為-21.2 m J/m²,這是氧化鉿薄膜中最有可能存在的疇壁結(jié)構(gòu)。這種疇壁的遷移極有可能是氧化鉿鐵電薄膜中... 

【文章來(lái)源】：湘潭大學(xué)湖南省

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

鐵電體的電滯回線

湘潭大學(xué)碩士學(xué)位論文2圖1.1鐵電體的電滯回線鐵電材料的鐵電性通常只存在于一定的溫度范圍內(nèi)。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，鐵電材料將由鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤�，自發(fā)極化消失，這種轉(zhuǎn)變稱為鐵電相變，該溫度稱為居里溫度或居里點(diǎn)。如圖1.2所示，當(dāng)溫度小于居里溫度時(shí)，極化與能量的關(guān)系曲線有兩個(gè)極小值，分別對(duì)應(yīng)于等值相反的兩種極化狀態(tài)，能量呈現(xiàn)雙勢(shì)阱分布，此時(shí)晶體表現(xiàn)為鐵電相；當(dāng)溫度大于居里溫度時(shí)，極化與能量關(guān)系曲線只在極化為零時(shí)有一個(gè)極小值，能量呈單勢(shì)阱型分布，此時(shí)順電相是穩(wěn)定相。以我們的研究對(duì)象氧化鉿為例，常溫常壓下表現(xiàn)為單斜相，當(dāng)溫度高于2050K時(shí)表現(xiàn)為四方相，而溫度在2830K以上時(shí)表現(xiàn)為立方相[2]，在特殊的外界條件比如壓力、摻雜、氧空位下氧化鉿也可以呈現(xiàn)正交鐵電相。且研究表明氧化鉿正交鐵電相的極化是由其中的八個(gè)氧離子沿著[001]方向發(fā)生偏移導(dǎo)致的，由于氧離子偏移了平衡位置，使晶體的中心對(duì)稱性消失，從而表現(xiàn)出鐵電特性。圖1.2鐵電材料在居里溫度附近的能量變化一般認(rèn)為關(guān)于鐵電材料的研究工作開(kāi)展于1920年，法國(guó)人Valasek在羅息鹽

第1章緒論3中發(fā)現(xiàn)了介電性能，從而導(dǎo)致“鐵電性”概念的出現(xiàn)。關(guān)于鐵電材料的研究主要經(jīng)歷了以下四個(gè)時(shí)期，延續(xù)到今日人們對(duì)鐵電材料有了越來(lái)越深刻的認(rèn)識(shí)。第一個(gè)就是以羅息鹽的研究為主的“羅息鹽時(shí)期”。Valasek因?yàn)樵诹_息鹽中發(fā)現(xiàn)的特殊性能，提出了鐵電體的概念，測(cè)量出了材料的壓電、介電、熱釋電等一系列相關(guān)現(xiàn)象，并繪制和公開(kāi)了第一條電滯回線圖。第二個(gè)是磷酸二氫鉀(KDP)時(shí)期，這一時(shí)期是鐵電材料研究歷史上的重要時(shí)期。在1935年Busch發(fā)現(xiàn)磷酸二氫鉀(KH2PO4)[3]也具有鐵電材料的特性，在這一時(shí)期鐵電、鐵電熱力學(xué)、朗道—德文希爾理論等領(lǐng)域的研究開(kāi)始建立和完善。第三個(gè)是鈣鈦礦時(shí)期。在這一時(shí)期各位學(xué)者相繼在BaTiO3等鈣鈦礦材料中也發(fā)現(xiàn)了鐵電性能，并利用BaTiO3鐵電材料制造出了電容器和壓電傳感器等器件。唯象理論、鐵電軟模理論[4]也在這一時(shí)期被建立，人們開(kāi)始對(duì)鐵電材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及相變特點(diǎn)進(jìn)行了解。第四個(gè)是鐵電薄膜與器件時(shí)期。1980年是鐵電薄膜制造技術(shù)飛速發(fā)展的起點(diǎn)，同時(shí)激發(fā)了人們開(kāi)發(fā)鐵電薄膜器件的熱情,對(duì)微型化器件的不斷需求也加速了這一研究的進(jìn)程。1.1.2鐵電材料的應(yīng)用鐵電材料因其豐富的物理特性而受到了許多領(lǐng)域的關(guān)注。如圖1.3所示，利用鐵電材料的介電性可以制備探測(cè)器，熱釋電性可以用于制造紅外探測(cè)器，壓電特性則符合壓電傳感器的要求，利用它的光電效應(yīng)可以生產(chǎn)光調(diào)制器，除此以外它還具備聲光效應(yīng)和光折變效應(yīng)，這些獨(dú)特的物理效應(yīng)決定了鐵電材料的廣泛應(yīng)用。但我們最關(guān)注的是鐵電材料的鐵電性，正是因?yàn)殍F電性的存在，鐵電材料才成為了信息時(shí)代的寵兒，例如以鐵電材料的鐵電性能為基礎(chǔ)的鐵電存儲(chǔ)器已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。圖1.3鐵電材料的物理性能


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