多晶材料鐵電熱電性質的蒙特卡羅模擬.pdf

1、晶粒長大是純金屬、合金、陶瓷等多晶材料中最普遍的晶粒生長現象，對材料的各種物理化學性能有重要影響。對大多數多晶材料而言，晶粒尺寸大小及均勻性是決定其性能優(yōu)劣的關鍵因素之一。因此，系統(tǒng)的研究多晶材料晶粒長大過程及其動力學，以及晶粒形貌對其各種物理性能的影響具有重要的理論和工程意義。近年來，國內外許多材料研究者利用能量模型蒙特卡羅方法模擬晶粒生長過程的技術已經發(fā)展得比較成熟了，不僅獲得了晶粒尺寸變化的信息，而且可以直觀的觀察到晶粒形貌的演變

2、過程。因此，為進一步研究晶粒形貌對多晶材料性能的影響及其變化規(guī)律奠定了良好的理論技術基礎。 二十一世紀是新技術和新材料飛速發(fā)展的世紀。鐵電材料不僅是重要的電子功能材料，而且被認為是最有應用前景的智能基礎材料，在傳感器和光調制器等高性能微電子、光電子集成器件方面有著廣泛的研究和應用，受到了材料科學、物理學、微電子學和信息科學等眾多領域學者的關注。與鐵電單晶相比，鐵電陶瓷具有制備容易、成本低廉、化學成份可進行調整以及可做成任意形狀的

3、制品等優(yōu)點；另一方面，因為鐵電陶瓷是燒結而成的多晶體，不是理想的單晶狀態(tài)，存在晶粒間界、雜質、晶體缺陷等，所以可以通過控制晶粒間界、雜質、晶體缺陷等手段獲得理想單晶狀態(tài)所不具有的性能。自二十世紀八十年代出現納米材料以后，多晶鐵電材料的尺寸效應就引起了人們的注意，受晶粒尺寸及組成影響的鐵電體的疇結構是影響其物理性質的一個重要方面。對鐵電體性能和尺寸關系的研究不僅是一個理論上感興趣的問題，而且具有實際應用的意義，現已成為材料科學中一個倍受重

4、視的課題。迄今為止，還未見在模擬多晶鐵電材料晶粒生長過程的基礎上進一步對其物理性質進行模擬研究的報道。 熱電材料是一種能夠實現電能和熱能直接相互轉換的半導體功能材料。在熱電發(fā)電和制冷、恒溫控制與溫度測量以及各種傳感器件等領域具有極為廣闊的應用前景。但是，與傳統(tǒng)的制冷和發(fā)電技術相比，熱電轉換技術由于其相對較低的轉換效率而在應用上受到一定的限制，因此，對多晶熱電材料的熱電性能進行研究以提高其熱電轉換效率具有很強的現實意義。限域效應是

5、通過多個界面（這里可以看作晶界）來實現的，可以有效地降低聲子在某些方向的傳播從而降低熱導率，界面效應對聲子散射也通常用來降低熱導率。如何利用限域效應和界面效應的協同提高多晶熱電材料的熱電性能是本工作的研究重點。 隨著計算材料科學的發(fā)展，計算機模擬已逐漸成為除了實驗和理論之外，對材料微觀組織演化及微觀組織設計研究的另一個重要手段。鑒于對多晶材質性能模擬的重要性，本論文首次基于Potts-Ising模型利用蒙特卡羅方法，首先模擬了多

6、晶材質的晶粒生長過程，進而研究了包括晶粒尺寸在內的多種因素對多晶鐵電材料的鐵電以及介電性質等的影響，此外，本論文還對多晶熱電材料的熱電性質進行了模擬研究。 第一章主要介紹了本論文的選題意義及研究概況。首先簡要地介紹了晶粒生長過程的研究意義和模擬方法，著重介紹了蒙特卡羅方法和本論文所采用的Potts-Ising模型。通過對兩種改進的晶粒生長的蒙特卡羅模擬方法的比較，得到了更為準確地反映近穩(wěn)態(tài)晶粒長大特征的策略，且進一步提高了模擬效

7、率。本章的后半部分首先介紹了近幾年來對鐵電材料的鐵電介電性能及熱電材料的熱電性能進行模擬研究的現狀，由于大部分研究工作是針對單晶和薄膜的情況，所以本章介紹了多晶材料物理性質模擬的意義，從而給出了本論文的選題和研究內容。最后一部分通過一個例子-利用蒙特卡羅方法確定伊辛帶的寬度閾值-來驗證方法和模擬程序的可靠性。 第二章利用發(fā)展的Potts-Ising模型蒙特卡羅方法對正常多晶鐵電陶瓷和存在偶極缺陷的多晶鐵電陶瓷的極化反轉過程分別進

8、行了模擬研究。首先給出了利用Potts模型得到的多晶鐵電陶瓷的晶粒形貌圖，其疇結構，電滯回線和開關電流的模擬結果與實驗結果符合得很好。對于正常多晶鐵電陶瓷，主要模擬了外界條件（溫度，外加電場幅值及頻率）對電滯回線的影響情況。發(fā)現溫度的升高使得鐵電陶瓷的剩余極化和矯頑場顯著降低，鑒于此可以根據溫度對電滯回線的影響粗略地確定居里溫度；外電場的頻率越高或者其幅值越大，需要做的功也會越多，從而導致電滯回線的面積不斷增大。模擬結果還表明隨著晶粒尺

9、寸的增加，鐵電陶瓷的疇結構逐漸由單疇演化為多疇結構。此外，剩余極化強度和矯頑場也會隨著晶粒尺寸的增大而增加。進一步的分析發(fā)現，小晶粒尺寸的鐵電陶瓷在極化反轉過程會出現更多的新疇成核，這也正是平均晶粒尺寸小的鐵電陶瓷矯頑場相對較小的原因。體系中缺陷的引入不僅降低了剩余極化強度，同時也降低了矯頑場。對極化反轉過程的疇結構分析可以發(fā)現在多晶形態(tài)還存在不同于傳統(tǒng)意義的特殊疇結構，這里稱之為“擴展疇”。擴展疇的范圍可以包括幾個晶粒，這幾個晶粒中的

10、極化強度方向大致沿外加電場的方向。正常多晶鐵電陶瓷中新疇成核主要出現在晶界處，當系統(tǒng)中引入缺陷時，新疇成核更易于出現在缺陷處。缺陷濃度和平均晶粒尺寸對開關電流也有一定的影響，缺陷濃度的增加和平均晶粒尺寸的減小都會降低開關電流的峰值，但對回轉電流的影響相對較不明顯。 第三章利用蒙特卡羅方法Potts-Ising偶極玻璃模型，研究了一類具有特殊性質的多晶鐵電材料．弛豫鐵電體的物理性質。本章主要研究了晶粒尺寸效應，外加交變電場幅值及頻

11、率對介電常數的影響。模擬結果表明，隨著平均晶粒尺寸的增大或隨著交變電場頻率的減小或其幅值的減小，介電常數都會增大，同時，介電常數達到最大值時的溫度Tm會移向較低的溫度處，與實驗結果符合的很好。此外，由類居里外斯定律得到的弛豫系數γ進一步論證了弛豫鐵電體的弛豫性。通過比較弛豫鐵電體和正常鐵電體在極化反轉過程中的疇演化圖發(fā)現，它們的主要區(qū)別在于新疇成核的數量，當電場反向時，弛豫鐵電體中新疇成核的數量要比正常鐵電體中的多得多。另外，在疇長大的

12、過程中，正常鐵電體中的新疇是一個接一個的長大，而在弛豫鐵電體中，多數新成核的疇幾乎是同時長大。 在第四章中，發(fā)展了一種研究多晶體系電子態(tài)以及熱電性質的蒙特卡羅、才算方法。首先利用Potts模型蒙特卡羅方法模擬多晶材質圖案的演化過程，再由此利用模型序參量構造晶界的勢函數，用近自由電子近似構造體系的哈密頓量，求解薛定諤方程得到體系的本征態(tài)。通過電荷密度的分布研究電子的限域特征。分析模擬結果發(fā)現對于晶界為勢壘的情況，電子的基態(tài)出現在最

13、大晶粒中。由求得的本征能級和波函數可以計算出溫差導致的電位差，即得到賽貝克系數隨溫度的變化。模擬結果表明以晶界為勢壘的多晶體系的賽貝克系數要高于以晶界為勢阱的多晶體系。進一步研究了平均晶粒尺寸對賽貝克系數和電導率的影響，賽貝克系數隨著平均晶粒尺寸的增大而減?。荒M得到的電導率與晶界勢壘的位置對應關系表明晶界勢壘高的地方電導率低；電導率隨著平均晶粒尺寸的增大而增大，隨著外場強度的增加而減小，得到的結果與實驗基本一致。通過分析說明平均晶粒尺