【摘要】：鐵電晶體是一種重要的功能晶體,其具備多種優(yōu)異的性能,包括介電(用于電容器),鐵電(用于非易失性存儲器),壓電(用于制動器,換能器),熱釋電(用于紅外探測器),光電(用于光電轉(zhuǎn)換器),電致伸縮(用于聲納)等。近幾十年來,人們對鐵電體的研究進(jìn)展迅速。由于其豐厚的性質(zhì)及可以制備為包括陶瓷,單晶體,聚合物,薄膜等多種形式,而廣泛應(yīng)用于電子,探測,激光,傳感,超聲,信號,微波,生物等多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。鐵電體具有自發(fā)極化,其可以與電場,應(yīng)力,熱以及光發(fā)生強(qiáng)烈地耦合作用而產(chǎn)生豐富的物理化學(xué)性質(zhì),由此具有廣泛的功能應(yīng)用。鐵電體的性能很容易受到微結(jié)構(gòu),缺陷,成分不均勻,外場,疇壁的運(yùn)動等影響。以缺陷為例,缺陷的存在會顯著影響鐵電體的鐵電性,壓電性,光電性等物理性質(zhì)。向鐵電體引入缺陷的方式,有溫度,外力,電場,光照等。比如溫度改變引起鐵電體點(diǎn)缺陷氧空位的形成,塑性應(yīng)變引起鐵電體線缺陷位錯(cuò)的形成等。這些缺陷的引入會相應(yīng)地改變和影響鐵電體的物理性質(zhì)。已有研究表明,固體表面的微結(jié)構(gòu)缺陷會嚴(yán)重地影響其潤濕性。作為固體表面的一個(gè)重要屬性,潤濕性主要由固體表面的化學(xué)成分和形貌結(jié)構(gòu)決定。表面潤濕性通常使用液體在固體表面的接觸角來評估。在本論文中,我們對LiNbO3鐵電晶體進(jìn)行交替的紫外和紅外光照實(shí)現(xiàn)了對其表面潤濕性的可逆控制。LiNbO3晶體作為典型的鐵電晶體,擁有穩(wěn)定良好的性能,大的非線性系數(shù),廣泛應(yīng)用于壓電,鐵電,光電以及非線性光學(xué)的研究和應(yīng)用。我們使用紫外光照的方式向LiNbO3鐵電體引入氧空位點(diǎn)缺陷,再通過紅外光照來消除氧空位點(diǎn)缺陷,從而實(shí)現(xiàn)表面潤濕性的可逆轉(zhuǎn)變。在潤濕性轉(zhuǎn)變的過程中,全程都是采用光引發(fā),這樣的優(yōu)勢和意義在于通過遠(yuǎn)程非接觸的方式,實(shí)現(xiàn)定向定區(qū)域改變固體表面的潤濕性。這種方便高效的遠(yuǎn)程操控固體表面潤濕性的方法將為未來的研究和應(yīng)用帶來更廣泛的價(jià)值。本論文的正文部分共有五章。分別是第一章緒論;第二章通過交替的紫外光和紅外光對LiNbO3晶體進(jìn)行照射實(shí)現(xiàn)晶體表面潤濕性的可逆轉(zhuǎn)變,制備了表面圖案結(jié)構(gòu)并研究其對潤濕性和壓電性的影響;第三章通過第一性原理分別計(jì)算以不同離子作為LiNbO3(0001)表面終結(jié)面的氧空位點(diǎn)缺陷形成能;第四章進(jìn)一步研究波長,空氣濕度以及氧濃度對潤濕性恢復(fù)的作用和影響;第五章為結(jié)論與展望。主要的研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)對鐵電材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、相變理論、微結(jié)構(gòu)缺陷(點(diǎn)缺陷,線缺陷,面缺陷)以及鐵電材料目前的一些研究熱點(diǎn)進(jìn)行了概述,在此基礎(chǔ)上對固體表面潤濕性的研究歷史、材料自身對潤濕性的影響以及外界對潤濕性的調(diào)控進(jìn)行了總結(jié)。(2)利用中心波長為365-nm的紫外光照射LiNbO3晶體表面,使其潤濕性發(fā)生親水轉(zhuǎn)變。然后利用波長為808-nm的紅外光再次照射已呈親水狀態(tài)的晶體表面,使其接觸角回復(fù)到初始狀態(tài)。通過對LiNbO3進(jìn)行交替的紫外和紅外光照實(shí)現(xiàn)了表面潤濕性的可逆轉(zhuǎn)變。不同晶面以及不同極性面上的潤濕性有差異。表面圖形化結(jié)構(gòu)對潤濕性和壓電性有影響。(3)利用第一性原理分別計(jì)算了 LiNbO3晶體(0001)面上以Nb-,Li-,O-為終結(jié)面的氧空位點(diǎn)缺陷的形成能,得到以Li+離子為終結(jié)面的表面氧空位形成能最低,氧空位更容易在以Li+離子為終結(jié)面的表面形成。(4)研究潤濕性恢復(fù)過程中表面缺陷對不同波長作用的選擇性。445-nm和532-nm只能使?jié)櫇裥圆糠只謴?fù);808-nm和1064-nm激光可以使?jié)櫇裥酝耆謴?fù),并且1064-nm使接觸角回復(fù)的速率比808-nm更快。進(jìn)一步研究空氣濕度和氧氣濃度對潤濕性恢復(fù)的影響。低濕度下,潤濕性恢復(fù)迅速。在高的氧氣濃度下,潤濕性恢復(fù)迅速。(5)AFM顯示紫外光照并沒有改變LiNbO3表面形貌,潤濕性的轉(zhuǎn)變來源于表面化學(xué)成分的變化。XPS分析顯示,表面氧空位缺陷以及羥基基團(tuán)含量對潤濕性的轉(zhuǎn)變具有關(guān)鍵作用。PL譜顯示,經(jīng)紫外光照射的樣品在543 nm處有氧空位缺陷發(fā)射峰。反射譜顯示紫外光和紅外光照使樣品的反射率發(fā)生了減少和增加,說明表面氧空位缺陷對光吸收有作用。綜上所述,本論文利用紫外光和紅外光實(shí)現(xiàn)了 LiNbO3鐵電晶體表面潤濕性的可逆控制,全程都是采用光引發(fā)。通過實(shí)驗(yàn)和結(jié)合文獻(xiàn)總結(jié)出紫外光照使LiNbO3表面潤濕性向親水轉(zhuǎn)變,以及紅外光照使?jié)櫇裥曰謴?fù)到初始狀態(tài)的機(jī)理。最后,這種全光操控改變固體表面潤濕性的方法是高效可行的。
【圖文】：

式并對其性能和應(yīng)用進(jìn)行了一系列研宄。逡逑鈮酸鋰是無色的透明晶體，熔點(diǎn)為１２５３°Ｃ，晶體由Ｎｂ０６的八面體組成，ｃ逡逑軸為３次旋轉(zhuǎn)對稱軸，所以是三方晶系。如圖１－２所示，在１２１０°Ｃ的居里溫度以逡逑下為鐵電相結(jié)構(gòu)，氧原子平面構(gòu)成其畸變的六方密堆積結(jié)構(gòu)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中形成逡逑的八面體空隙分別被鋰原子，鈮原子以及空位填充，分別占據(jù)氧八面體空隙的１／３。逡逑在ｃ軸方向上空隙位置的原子依次按照…鈮，空位，鋰，鈮，空位，鋰…排列。逡逑在居里溫度以上的順電相中，鋰原子位于距離鈮原子ｃ／４的氧平面上，鈮原子位逡逑于兩個(gè)氧平面構(gòu)成的氧八面體中心。這樣的位置關(guān)系使得順電相是非極性的。當(dāng)逡逑溫度下降低于居里點(diǎn)時(shí)，鋰離子和鈮離子沿ｃｒ軸同方向發(fā)生位移，鋰離子離開氧逡逑平面，鈮離子離開氧八面體中心。由于鋰離子和鈮離子的移動，造成了正負(fù)電荷逡逑重心沿ｃ軸的相對位移，產(chǎn)生沿ｃ軸的自發(fā)極化。又由于晶體的自發(fā)極化方向只逡逑沿ｃ軸方向

屬類的電導(dǎo)行為，，其電導(dǎo)率是體塊ＢａＴｉ０３直流電導(dǎo)率的１０９倍，并且通過相場逡逑分析，證明由極化電荷形成的勢阱中存在穩(wěn)定退化的準(zhǔn)二維電子氣。帶電疇壁溫逡逑度－電流曲線如圖１－５所示，其并未表現(xiàn)出類似半導(dǎo)體或離子導(dǎo)體那樣受熱激活逡逑支配的導(dǎo)電行為，相反的，其具有正溫度系數(shù)的類似金屬型導(dǎo)電趨勢。逡逑１２逡逑
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O73

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本文編號：2633454