鐵電薄膜鐵電-壓電行為的疇變理論分析.pdf

1、鐵電薄膜具有良好的介電性、鐵電性和壓電性。在過去幾十年鐵電薄膜得到廣泛應用,如微型驅動器、鐵電薄膜感應器和壓力傳感器等。電疇是鐵電材料中取向一致的微區(qū),電疇的翻轉是鐵電材料產(chǎn)生電滯回線和蝶形曲線的主要原因。目前,有很多判據(jù)可以用來模擬力場和循環(huán)電場下塊體鐵電材料的非線性行為。但是研究外加電場和力場下鐵電薄膜的疇變判據(jù)卻很少見。因此,建立恰當?shù)蔫F電薄膜疇變模型,通過研究電疇在外加電場和力場下的翻轉行為來探索鐵電薄膜的非線性行為是研究重點。

2、
　　鐵電薄膜在制備過程中不可避免的產(chǎn)生殘余應變,在加外加載荷以前,殘余應變已經(jīng)存在于鐵電薄膜中,可以認為是鐵電薄膜中電疇的自發(fā)應變。同時,還考慮鐵電薄膜在外加電場下由電致伸縮引起的應變對鐵電薄膜性能產(chǎn)生的影響。另一方面,鐵電薄膜和電極之間存在著一層介電系數(shù)非常小的過渡層,稱為死層。鐵電薄膜的介電系數(shù)隨著薄膜厚度的減小而減小,前人認為這種現(xiàn)象由死層引起的?；诖?本文第一部分內容是從微觀電疇出發(fā)建立改進模型,考慮殘余應變和電致伸縮

3、應變后電疇在外場下的翻轉,研究鐵電薄膜的非線性行為;第二部分內容為利用改進模型,考慮死層鐵電薄膜非線性行為的研究。具體情況如下:
　　1.鐵電薄膜在制備過程中產(chǎn)生的殘余應變源于相變應變、本征應變和界面熱失配應變。將殘余應變考慮到鐵電材料電疇的本構關系中,同時把電致伸縮應變考慮到鐵電薄膜電疇的本構關系中。電疇翻轉前后兩狀態(tài)的Gibbs自由能的差為電疇翻轉驅動力,如果電疇翻轉驅動力大于電疇發(fā)生翻轉的閾值,電疇就可能發(fā)生翻轉。利用本構關

4、系求出每個電疇的電位移和應變,然后對所有電疇求體平均得到鐵電薄膜的電位移和應變。運用改進模型和傳統(tǒng)模型模擬Pb(ZrxTi1-x)O3鐵電薄膜在力場和循環(huán)電場下的電滯回線和蝶形曲線。將模擬結果和實驗結果進行對比得知,運用改進模型模擬的結果和實驗結果較接近。由電滯回線可知,隨著外加壓應力增加,剩余極化增加,矯頑電場減小;隨著外加拉應力增大,剩余極化減小,矯頑電場增加。由蝶形曲線可知,隨著外加壓應力增加,剩余應變、場致應變增加;隨著外加拉應

5、力增大,剩余應變、場致應變減小。
　　2.為了形象的描述死層,引入電極-死層-鐵電層-電極三明治結構。根據(jù)死層和鐵電層的界面上電位移的連續(xù)性確定鐵電層上的電場。基于Ruess假設認為鐵電層中電疇所受的電場等于鐵電層上的電場。電疇的本構關系得到進一步的改進,以此來計算每個電疇的電位移和應變。通過對所有電疇求體平均來得到鐵電薄膜的電位移和應變。運用改進模型、傳統(tǒng)模型以及考慮死層時模擬Pb(ZrxTi1-x)O3鐵電薄膜在外加力場和電場