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。然而目前國內(nèi)外對其核心特征—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制,對實現(xiàn)氧化鉿基鐵電存儲器件的大規(guī)模應用具有重要意義。因此,本文基于密度泛函理論對氧化鉿鐵電薄膜中可能存在的疇壁結(jié)構(gòu)及其演化進行了研究,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制,并對典型疇壁的電子結(jié)構(gòu)和氧缺陷分布進行了分析。具體研究內(nèi)容如下:（1）氧化鉿從高對稱的立方相到低對稱的正交鐵電相轉(zhuǎn)變過程中可以產(chǎn)生6種變體（忽略相反的極化方向）。基于這6種變體預測并構(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180°疇壁進行預測和計算后確定了三種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... 

【文章來源】：湘潭大學湖南省

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

鐵電體的電滯回線

湘潭大學碩士學位論文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)。當溫度過高時，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。如圖1.2所示，當溫度小于居里溫度時，極化與能量的關系曲線有兩個極小值，分別對應于等值相反的兩種極化狀態(tài)，能量呈現(xiàn)雙勢阱分布，此時晶體表現(xiàn)為鐵電相；當溫度大于居里溫度時，極化與能量關系曲線只在極化為零時有一個極小值，能量呈單勢阱型分布，此時順電相是穩(wěn)定相。以我們的研究對象氧化鉿為例，常溫常壓下表現(xiàn)為單斜相，當溫度高于2050K時表現(xiàn)為四方相，而溫度在2830K以上時表現(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氧離子沿著[001]方向發(fā)生偏移導致的，由于氧離子偏移了平衡位置，使晶體的中心對稱性消失，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為關于鐵電材料的研究工作開展于1920年，法國人Valasek在羅息鹽

第1章緒論3中發(fā)現(xiàn)了介電性能，從而導致“鐵電性”概念的出現(xiàn)。關于鐵電材料的研究主要經(jīng)歷了以下四個時期，延續(xù)到今日人們對鐵電材料有了越來越深刻的認識。第一個就是以羅息鹽的研究為主的“羅息鹽時期”。Valasek因為在羅息鹽中發(fā)現(xiàn)的特殊性能，提出了鐵電體的概念，測量出了材料的壓電、介電、熱釋電等一系列相關現(xiàn)象，并繪制和公開了第一條電滯回線圖。第二個是磷酸二氫鉀(KDP)時期，這一時期是鐵電材料研究歷史上的重要時期。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，在這一時期鐵電、鐵電熱力學、朗道—德文希爾理論等領域的研究開始建立和完善。第三個是鈣鈦礦時期。在這一時期各位學者相繼在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]也在這一時期被建立，人們開始對鐵電材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及相變特點進行了解。第四個是鐵電薄膜與器件時期。1980年是鐵電薄膜制造技術(shù)飛速發(fā)展的起點，同時激發(fā)了人們開發(fā)鐵電薄膜器件的熱情,對微型化器件的不斷需求也加速了這一研究的進程。1.1.2鐵電材料的應用鐵電材料因其豐富的物理特性而受到了許多領域的關注。如圖1.3所示，利用鐵電材料的介電性可以制備探測器，熱釋電性可以用于制造紅外探測器，壓電特性則符合壓電傳感器的要求，利用它的光電效應可以生產(chǎn)光調(diào)制器，除此以外它還具備聲光效應和光折變效應，這些獨特的物理效應決定了鐵電材料的廣泛應用。但我們最關注的是鐵電材料的鐵電性，正是因為鐵電性的存在，鐵電材料才成為了信息時代的寵兒，例如以鐵電材料的鐵電性能為基礎的鐵電存儲器已經(jīng)得到了廣泛應用。圖1.3鐵電材料的物理性能


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