【摘要】：鐵電材料是一種應用廣泛的功能材料,具有壓電、介電和熱電等性能,在電子器件中有廣泛的應用。鐵電材料的性能除了與材料的化學成分和品質有關,還受到電疇結構的影響。例如,含鉛鐵電固溶體Pb(Zr_(1-x)Ti_x)O_3(PZT)和Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-x PbTiO_3(PMN-x PT)的準同型相界組分表現出很高壓電性能,這個高壓電性能與單斜相電疇的形成相關。改變材料內部的電疇形貌、電疇尺寸和結構可以改善材料的壓電、介電和熱電等性能,有利于鐵電材料的實際應用。然而,目前對某些特殊電疇結構的形成機理仍然不夠清楚,如何利用電疇結構來增強材料的物理性能的研究仍然不夠深入。因此,通過理論研究電疇結構的形成機制以及電疇在外場下表現的特性對提高材料的應用性能大有裨益。本文結合鐵電朗道唯象理論和相場模擬方法,從以下幾個方面研究了鐵電材料的電疇結構及其對鐵電材料物理性能的影響。首先,本文利用有限差分算法,將鐵電朗道理論的自由能方程和時間相關的朗道-金茲堡方程進行離散化,通過計算機編程得到了模擬電疇結構的相場模型。給出電疇結構模擬的邊界條件和參數的無量綱化的處理,并研究彈性能和梯度能對穩(wěn)態(tài)電疇結構的影響。為進一步理論研究不同鐵電材料中電疇結構及其物理特性提供基礎。利用朗道理論和相場模擬,對PZT鐵電固溶體不同組分的電疇結構進行研究,著重研究PZT鐵電體在準同型相界組分形成單斜相的物理機理及其壓電性能。在準同型相界組分四方相和三方相共存時,兩種晶相的晶格失配會在界面處產生很大的失配應變。失配應變導致電疇之間的彈性相互作用有可能引起電疇結構的改變,針對這個問題,對兩相間的失配應變隨組分的變化進行計算,并分析當朗道自由能中考慮失配應變時的表達形式。進一步利用相場模擬,研究電疇內的應力和應變分布,討論電疇間的彈性相互作用對電疇結構的影響及電疇的壓電特性。計算結果表明,兩相之間失配應變的彈性作用會改變材料的電疇結構,導致單斜相電疇的形成。并且,單斜相電疇相對于四方相電疇具有更高的壓電系數。對鐵電納米線-聚合物復合材料中渦旋電疇結構進行研究,并討論渦旋電疇的介電儲能特性。首先,建立BaTiO_3鐵電納米線-聚合物復合材料電疇結構模擬的物理模型。當材料中不存在電荷缺陷和自由電荷,鐵電納米線中有可能形成渦旋電疇。利用相場模擬對這種渦旋電疇結構的形成機理進行分析,并計算了渦旋電疇結構在外電場下的轉變行為。計算結果表明,納米線中渦旋電疇的形成,會極大地減小電滯回線的剩余極化強度和包圍面積,從而增強材料的介電儲能密度和儲能效率。對鐵電材料電疇和晶粒的尺寸效應進行理論研究,并討論電疇尺寸和晶粒尺寸對材料室溫電卡性能的影響。首先利用相場模擬不同尺寸的電疇結構,計算沿電場方向的電卡系數隨溫度和電場的變化。計算結果表明,電疇尺寸越小的鐵電體表現出更高的電卡性能。進一步研究晶粒尺寸對室溫電卡性能的影響,根據朗道理論計算出不同尺寸鐵電納米顆粒在室溫附近的電卡系數和絕熱溫度改變。計算結果表明,通過改變鐵電納米顆粒的尺寸,可以調節(jié)顆粒的居里溫度到室溫附近,從而可以有效地增強材料在室溫的電卡性能。
【圖文】：

第 1 章 緒 論會發(fā)生鐵電到鐵電相變，比如 BaTiO3晶體,在 120℃溫度發(fā)生順電，，晶格從立方相變成四方相，隨著溫度降低到 5℃以下，材料發(fā)生相變，晶格由四方相轉變成正交(Orthogonal, O)相。當溫度進一步降以下，晶格結構則由正交相轉變成鐵電三方(Rhombohedral, R)相。構相變會導致材料力學、電學等性質的突變。

圖 1-2 不同晶相中自發(fā)極化方向示意圖Fig. 1-2 Schematic diagram of spontaneous polarization directions in different phases表 1-1 鈣鈦礦鐵電體自發(fā)極化狀態(tài)[19]Table 1-1 Polarization states of perovskite type ferroelectrics[19]晶系 對稱性 極化狀態(tài) 極化方向立方相 m3m P1=P2=P3=0 順電相四方相 4mm P1=P2=0, P3≠0 <001>正交相 mm2 P1=0，P2=P3≠0 <011>三方相 3m P1=P2=P3≠0 <111>單斜 MA相 m2123322210,0,PPPPP>=≠≠
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

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本文編號：2629455