【摘要】：鐵電材料是一種應(yīng)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(yīng)用。鐵電材料的性能除了與材料的化學(xué)成分和品質(zhì)有關(guān),還受到電疇結(jié)構(gòu)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(zhǔn)同型相界組分表現(xiàn)出很高壓電性能,這個(gè)高壓電性能與單斜相電疇的形成相關(guān)。改變材料內(nèi)部的電疇形貌、電疇尺寸和結(jié)構(gòu)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(shí)際應(yīng)用。然而,目前對(duì)某些特殊電疇結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理仍然不夠清楚,如何利用電疇結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)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(jié)構(gòu)的形成機(jī)制以及電疇在外場下表現(xiàn)的特性對(duì)提高材料的應(yīng)用性能大有裨益。本文結(jié)合鐵電朗道唯象理論和相場模擬方法,從以下幾個(gè)方面研究了鐵電材料的電疇結(jié)構(gòu)及其對(duì)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(shí)間相關(guān)的朗道-金茲堡方程進(jìn)行離散化,通過計(jì)算機(jī)編程得到了模擬電疇結(jié)構(gòu)的相場模型。給出電疇結(jié)構(gòu)模擬的邊界條件和參數(shù)的無量綱化的處理,并研究彈性能和梯度能對(duì)穩(wěn)態(tài)電疇結(jié)構(gòu)的影響。為進(jìn)一步理論研究不同鐵電材料中電疇結(jié)構(gòu)及其物理特性提供基礎(chǔ)。利用朗道理論和相場模擬,對(duì)PZT鐵電固溶體不同組分的電疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,著重研究PZT鐵電體在準(zhǔn)同型相界組分形成單斜相的物理機(jī)理及其壓電性能。在準(zhǔn)同型相界組分四方相和三方相共存時(shí),兩種晶相的晶格失配會(huì)在界面處產(chǎn)生很大的失配應(yīng)變。失配應(yīng)變導(dǎo)致電疇之間的彈性相互作用有可能引起電疇結(jié)構(gòu)的改變,針對(duì)這個(gè)問題,對(duì)兩相間的失配應(yīng)變隨組分的變化進(jìn)行計(jì)算,并分析當(dāng)朗道自由能中考慮失配應(yīng)變時(shí)的表達(dá)形式。進(jìn)一步利用相場模擬,研究電疇內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變分布,討論電疇間的彈性相互作用對(duì)電疇結(jié)構(gòu)的影響及電疇的壓電特性。計(jì)算結(jié)果表明,兩相之間失配應(yīng)變的彈性作用會(huì)改變材料的電疇結(jié)構(gòu),導(dǎo)致單斜相電疇的形成。并且,單斜相電疇相對(duì)于四方相電疇具有更高的壓電系數(shù)。對(duì)鐵電納米線-聚合物復(fù)合材料中渦旋電疇結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,并討論渦旋電疇的介電儲(chǔ)能特性。首先,建立BaTiO_3鐵電納米線-聚合物復(fù)合材料電疇結(jié)構(gòu)模擬的物理模型。當(dāng)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(duì)這種渦旋電疇結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理進(jìn)行分析,并計(jì)算了渦旋電疇結(jié)構(gòu)在外電場下的轉(zhuǎn)變行為。計(jì)算結(jié)果表明,納米線中渦旋電疇的形成,會(huì)極大地減小電滯回線的剩余極化強(qiáng)度和包圍面積,從而增強(qiáng)材料的介電儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能效率。對(duì)鐵電材料電疇和晶粒的尺寸效應(yīng)進(jìn)行理論研究,并討論電疇尺寸和晶粒尺寸對(duì)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(jié)構(gòu),計(jì)算沿電場方向的電卡系數(shù)隨溫度和電場的變化。計(jì)算結(jié)果表明,電疇尺寸越小的鐵電體表現(xiàn)出更高的電卡性能。進(jìn)一步研究晶粒尺寸對(duì)室溫電卡性能的影響,根據(jù)朗道理論計(jì)算出不同尺寸鐵電納米顆粒在室溫附近的電卡系數(shù)和絕熱溫度改變。計(jì)算結(jié)果表明,通過改變鐵電納米顆粒的尺寸,可以調(diào)節(jié)顆粒的居里溫度到室溫附近,從而可以有效地增強(qiáng)材料在室溫的電卡性能。
【圖文】：

第 1 章 緒 論會(huì)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(zhuǎn)變成正交(Orthogonal, O)相。當(dāng)溫度進(jìn)一步降以下，晶格結(jié)構(gòu)則由正交相轉(zhuǎn)變成鐵電三方(Rhombohedral, R)相。構(gòu)相變會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)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(duì)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(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB34

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