納米尺度化的材料如薄膜、納米線、納米顆粒及納米復(fù)合材料,可以承受比大尺度宏觀材料大得多的應(yīng)變或應(yīng)力(例如,拉伸或剪切)而不會發(fā)生斷裂。因此科學(xué)家們紛紛將目光投向了應(yīng)變技術(shù),試圖利用應(yīng)變參量去拓展開發(fā)新型功能材料的空間。人們可以通過外延或者外部載荷等方式來調(diào)節(jié)納米材料的外載應(yīng)變,這種應(yīng)變可以是均勻的或非均勻的。這樣人們就可以通過控制六維彈性應(yīng)變作為連續(xù)變量來調(diào)控材料的物理或者化學(xué)性質(zhì),例如電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、聲子結(jié)構(gòu)和催化性能等。因此通過靜態(tài)或動態(tài)地控制彈性應(yīng)變場,人們能夠獲得更大的優(yōu)化材料功能特性的參數(shù)空間。因此曾經(jīng)一度被忽視的應(yīng)變梯度與鐵電極化的相互耦合效應(yīng)—撓曲電效應(yīng)又重新回到了人們的視野,尤其是僅僅通過單純的非均勻應(yīng)變即可使鐵電疇發(fā)生180°的翻轉(zhuǎn),這可望應(yīng)用于將來的信息存儲領(lǐng)域。此外,最近的實驗工作發(fā)現(xiàn)生長在(110)方向YA103襯底上的正交相鈣鈦礦LuMn03薄膜中存在鐵電、反鐵磁和鐵磁多態(tài)共存現(xiàn)象,這在新型多功能器件領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。應(yīng)變梯度與外延應(yīng)變這兩個自由度對材料的機(jī)電耦合性能和磁性能影響的研究工作取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,但是還存在一些問題亟待解決。例如:(1)目前為止,對于所有材料的撓曲電張量系數(shù)還沒有達(dá)成普遍的共識,甚至系數(shù)的符號都還沒有得到統(tǒng)一。實驗測量值之間、不同的理論模型預(yù)測值之間、實驗值與理論值之間仍然存在較大差異。尤其是鈣鈦礦BaTi03材料,不但實驗上還未測量到所有的撓曲電張量分量,而且撓曲電系數(shù)的理論計算和實驗測量值相差了幾個量級。(2)以往的理論計算工作主要集中關(guān)注鐵電體順電相中的電極化與局部應(yīng)變梯度的依賴關(guān)系,而忽略了關(guān)于電極化的全能量泛函的非線性本質(zhì)。并且,由于電極化的定義依賴于所選擇的贗勢,這種情況下?lián)锨娤禂?shù)的精度是存在疑問的。(3)對于特定材料的應(yīng)變梯度與鐵電極化耦合的能量泛函的具體形式仍未明確給出。(4)實驗上發(fā)現(xiàn)正交相LuMnO3(o-LuMnO3)的外延薄膜中存在反鐵磁鐵電相與鐵磁相共存,而且實驗上并未測到鐵磁與鐵電的耦合,這些現(xiàn)象的物理本質(zhì)還不清楚,迫切需要理論工作的支持�；谝陨弦蛩�,本文首先研究了如何從第一原理計算出發(fā)去獲得鈣鈦礦BaTi03的撓曲電效應(yīng)能量泛函方程,并得到確定的各項系數(shù),進(jìn)而用此能量泛函去研究180°疇翻轉(zhuǎn)過程的規(guī)律;然后研究了如何由理論計算獲得襯底應(yīng)變下的o-LuMnO3外延薄膜中各磁態(tài)的相圖,進(jìn)而去解釋相關(guān)實驗現(xiàn)象。具體研究內(nèi)容如下:(1)我們應(yīng)用第一性原理總能量的計算研究了切應(yīng)變梯度效應(yīng)對鐵電B3TiO3薄膜電極化翻轉(zhuǎn)的影響。我們通過對一系列給定的電極化、切應(yīng)變梯度及疇界相對位移下的雙疇超晶胞的總能量計算,不光得到了疇界能,還得到了單疇情況下的極化能、彈性能及撓曲電系數(shù)。然后,我們利用構(gòu)建的Landau-Devonshire唯象方程得到了鐵電BaTiO3薄膜在室溫下發(fā)生180°疇翻轉(zhuǎn)的臨界切應(yīng)變梯度為9.091 × 107/m(相當(dāng)于臨界曲率半徑(R)為110 A),這與實驗上的估計值3.333 × 107/m(R = 300A)處于同一個量級。我們的工作與傳統(tǒng)的線性響應(yīng)理論不同,撓曲電系數(shù)的獲得方式是將計算得到的總能量擬合為Landau-Devonshire能量泛函,系數(shù)的結(jié)果并不依賴于特定的贗勢。因此,我們的方法為研究撓曲電效應(yīng)的數(shù)值計算提供了另外一種新途徑。(2)襯底應(yīng)變?yōu)槲覀兲峁┝祟~外的維度來豐富鈣鈦礦薄膜的功能。近期的兩個關(guān)于生長在(110)方向YA103襯底上的LuMn03薄膜中出現(xiàn)鐵磁與反鐵磁共存的工作提供了襯底應(yīng)變可以導(dǎo)致磁相變的實驗證據(jù)。實驗上發(fā)現(xiàn)鐵磁信號來自于靠近YA103襯底附近的薄原子層。我們提出,垂直應(yīng)變弛豫可以使鐵磁結(jié)構(gòu)在襯底附近最大壓應(yīng)變的區(qū)域保持穩(wěn)定而反鐵磁結(jié)構(gòu)在趨于薄膜表面附近即在壓應(yīng)變趨向變小的方向保持穩(wěn)定。這種物理圖像由我們通過應(yīng)用第一原理計算得到的磁結(jié)構(gòu)與壓縮應(yīng)變的關(guān)系相圖所支持。鐵磁與反鐵磁共存的[110]方向臨界壓應(yīng)變?yōu)閑 ≈-0.0425,接近YA103襯底提供的壓縮應(yīng)變e ≈-0.047。因為薄膜整體存在半金屬鐵磁相與鐵電E型反鐵磁相,所以實驗上發(fā)現(xiàn)鐵電極化極大的衰減并且平均磁矩僅僅為0.5 μB/Mn是可以理解的。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1
【部分圖文】：

圖１．１：離子晶體的撓曲電效應(yīng)示意圖［２８］。（ａ）均勻應(yīng)變（例如，單軸壓縮應(yīng)變）無法打破??反演對稱性，因此在中心對稱的材料中不能產(chǎn)生極化。（ｂ）應(yīng)變梯度（例如，由于彎曲應(yīng)變??引起的）破壞了材料的反演對稱性，從而導(dǎo)致正電荷與負(fù)電荷中心出現(xiàn)相對位移，即在材??料中產(chǎn)生極化現(xiàn)象。??是說鐵電材料的均勻機(jī)械響應(yīng)并不取決于鐵電材料的極軸是否向上的還是向下??的。但是，當(dāng)形變不均勻時（出現(xiàn)應(yīng)變梯度），對稱約束將會發(fā)生變化，而且這??種非均勻的應(yīng)變可以產(chǎn)生非傳統(tǒng)的效應(yīng)。因此，應(yīng)變梯度與鐵電序參量的相互??耦合效應(yīng)（撓曲電效應(yīng)）逐漸進(jìn)入了人們的視野。尤其是薄膜中可以存在非常??大的應(yīng)變梯度（通常情況下就可以達(dá)到１０５／ｍ量級），所以介電材料薄膜會展??現(xiàn)出極強(qiáng)的撓曲電效應(yīng)。綜上所述，當(dāng)研宄對象尺度降低到納米尺度時，應(yīng)變??效應(yīng)會非常顯著的影響材料性能。這是一個嶄新的領(lǐng)域，值得物理學(xué)家和材料??學(xué)家在深度和廣度上進(jìn)一步拓展工作。??本論文的工作主要關(guān)注應(yīng)變梯度對鐵電極化的耦合效應(yīng)及外延應(yīng)變對磁性??的調(diào)控，所以本章首先詳細(xì)介紹撓曲電效應(yīng)及其相關(guān)實驗工作和理論工作；其??

發(fā)現(xiàn)表面應(yīng)變梯度能夠在中心對稱的晶體中導(dǎo)致極性模的出現(xiàn)。此外，Ｂｕｒｓｉａｎ??和Ｚａｉｋｏｖｓｋｉｉ也在實驗上發(fā)現(xiàn)了應(yīng)變梯度與電極化存在著相互親合關(guān)系［３１］，如??圖１．２?（ａ）所示，在室溫下對２．５?ｐｍ厚度鐵電ＢａＴｉ０３晶體施加電場時，實驗樣??品會發(fā)生彎曲；并且樣品曲率隨著溫度的變化規(guī)律也類似于從鐵電相轉(zhuǎn)變到順??電相的過程（１．２?（ｂ））。而“ｆｌｅｘｏｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｅｆｆｅｃｔ”?一詞正式用來描述固體中應(yīng)變??梯度與鐵電極化之間的耦合是在１９８１年Ｉｎｄｅｎｂｏｍ提出了鐵電體中撓曲電效應(yīng)??的Ｌａｎｄａｕ理論模型開始的［３２］。Ｉｎｄｅｎｂｏｍ發(fā)現(xiàn)液晶物理學(xué)中描述相似現(xiàn)象時使??用?“ｆｌｅｘｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔ”?一詞，由此受到了啟發(fā)將?“ｆｌｅｘｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｆｆｅｃｔ”?這個??詞應(yīng)用到了固體中。因為撓曲電效應(yīng)在宏觀樣品中與壓電效應(yīng)相比是非常微弱??的，并且在宏觀樣品中很難實現(xiàn)非常大的應(yīng)變梯度，所以撓曲電效應(yīng)一度被忽??視了幾十年。然而，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們又重新開始關(guān)注這種現(xiàn)象，因??為在納米鐵電結(jié)構(gòu)中可以非常容易地獲得較大的應(yīng)變梯度，從而撓曲電效應(yīng)能??夠在納米體系中顯著增強(qiáng)。在過去的十幾年中，對于撓曲電效應(yīng)的基本物理問??題的理解和其在器件方面的應(yīng)用都取得了極大的進(jìn)展［２８］。??早期的撓曲電效應(yīng)的實驗研宄主要關(guān)注的是鈣鈦礦陶瓷材料順電相撓曲電??系數(shù)的測量，眾多研究者主要采用如圖１．３所示的兩種方法用以測試撓曲電材??料的燒曲電系數(shù)。第一種方法稱為懸臂梁彎曲法（ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ?ｂｅｎｄｉｎｇ?ｍｅｔｈｏｄ），將１??鐵電陶瓷材料作為懸臂梁構(gòu)件

樣品進(jìn)行了研究［４４］。他們發(fā)現(xiàn)雖然估計的撓曲電場低于薄膜材料的矯頑場，??但是僅僅彎曲鐵電薄膜下面的襯底就完全能使鐵電薄膜中的鐵電疇發(fā)生翻轉(zhuǎn)。??如圖１．４?（ａ）所示：ＰＺＴ薄膜生長過程中疇取向是隨機(jī)的；而通過對比拉伸應(yīng)力??作用下的（ｂ）圖與壓應(yīng)力作用下的（ｃ）圖發(fā)現(xiàn)，兩圖所示的相位完全相反，說明??通過非均勻應(yīng)變的作用實現(xiàn)了疇取向發(fā)生了?１８０°的翻轉(zhuǎn)。??５??
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本文編號：2848933