【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,而廣泛應用于電子,探測,激光,傳感,超聲,信號,微波,生物等多個技術(shù)領(lǐng)域。鐵電體具有自發(fā)極化,其可以與電場,應力,熱以及光發(fā)生強烈地耦合作用而產(chǎn)生豐富的物理化學性質(zhì),由此具有廣泛的功能應用。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缺陷氧空位的形成,塑性應變引起鐵電體線缺陷位錯的形成等。這些缺陷的引入會相應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)缺陷會嚴重地影響其潤濕性。作為固體表面的一個重要屬性,潤濕性主要由固體表面的化學成分和形貌結(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鐵電晶體進行交替的紫外和紅外光照實現(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),廣泛應用于壓電,鐵電,光電以及非線性光學的研究和應用。我們使用紫外光照的方式向LiNbO3鐵電體引入氧空位點缺陷,再通過紅外光照來消除氧空位點缺陷,從而實現(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程非接觸的方式,實現(xiàn)定向定區(qū)域改變固體表面的潤濕性。這種方便高效的遠程操控固體表面潤濕性的方法將為未來的研究和應用帶來更廣泛的價值。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晶體進行照射實現(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算以不同離子作為LiNbO3(0001)表面終結(jié)面的氧空位點缺陷形成能;第四章進一步研究波長,空氣濕度以及氧濃度對潤濕性恢復的作用和影響;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(點缺陷,線缺陷,面缺陷)以及鐵電材料目前的一些研究熱點進行了概述,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,使其接觸角回復到初始狀態(tài)。通過對LiNbO3進行交替的紫外和紅外光照實現(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算了 LiNbO3晶體(0001)面上以Nb-,Li-,O-為終結(jié)面的氧空位點缺陷的形成能,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?808-nm和1064-nm激光可以使?jié)櫇裥酝耆謴?并且1064-nm使接觸角回復的速率比808-nm更快。進一步研究空氣濕度和氧氣濃度對潤濕性恢復的影響。低濕度下,潤濕性恢復迅速。在高的氧氣濃度下,潤濕性恢復迅速。(5)AFM顯示紫外光照并沒有改變LiNbO3表面形貌,潤濕性的轉(zhuǎn)變來源于表面化學成分的變化。XPS分析顯示,表面氧空位缺陷以及羥基基團含量對潤濕性的轉(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)。通過實驗和結(jié)合文獻總結(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)櫇裥曰謴偷匠跏紶顟B(tài)的機理。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】：

式并對其性能和應用進行了一系列研宄。逡逑鈮酸鋰是無色的透明晶體，熔點為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。當逡逑溫度下降低于居里點時，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

屬類的電導行為，，其電導率是體塊ＢａＴｉ０３直流電導率的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)出類似半導體或離子導體那樣受熱激活逡逑支配的導電行為，相反的，其具有正溫度系數(shù)的類似金屬型導電趨勢。逡逑１２逡逑
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O73

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本文編號：2633454