外場作用下鐵電薄膜的斷裂增韌行為及疇變判據研究.pdf

1、鐵電薄膜,由于具有良好的力電耦合性能,在過去二十年里廣泛應用于高壓電容器、傳感器和鐵電場效應晶體管等。然而,當鐵電薄膜用于微器件工作時會遭受外場作用。自然地,鐵電薄膜可能由于熱載荷、電載荷和機械載荷而誘致失效。當鐵電薄膜受到較大外場作用時,可能會發(fā)生疇變,并且這種疇變特性廣泛應用于微電子器件中。值得注意的是裂紋尖端附近發(fā)生的疇變會引起鐵電薄膜的斷裂增韌行為。因此,在研究鐵電薄膜斷裂機制時應當考慮外場和疇變作用。此外,由于疇變是電滯回線和

2、蝶形曲線的源動力,并且對于鐵電材料極化過程中的技術開發(fā)也有著重要意義。研究者們對于大塊鐵電材料已經提出了一些疇變判據來模擬由疇變而誘致的鐵電響應行為。然而,對于鐵電薄膜中疇變判據的研究卻很鮮見。因此建立恰當的鐵電薄膜疇變判據,從微觀鐵電電疇出發(fā)研究材料的宏觀鐵電響應,并以此指導新型鐵電微器件的開發(fā)與應用,是當前需要解決的一項任務。本文創(chuàng)新之處在于基于小范圍疇變理論了研究了連續(xù)激光輻照下含邊緣裂紋和中間貫穿裂紋的斷裂增韌行為?？紤]鐵電薄膜

3、中殘余應力和由于基底嚴格約束產生的固有應變能影響,提出了一個新的疇變判據。其主要研究內容分以下三個部分:
　　1.基于小范圍疇變理論,通過對連續(xù)激光輻照下遠場應力強度因子KΙapp和90°疇變所致屏蔽應力強度因子ΔKΙ進行疊加,得到了含Ι型邊緣裂紋Pb(ZrxTi1-x)O3薄膜的近尖端應力強度因子KΙtip。KΙapp和ΔKΙ都是通過權函數方法求解得到的。定義屏蔽應力強度因子和遠場應力強度因子之比ΔKΙ/KΙapp為增韌率,以此

4、來表示斷裂增韌的程度,并將其表示為初始極化角φ的函數去評估疇變效應。計算結果表明初始極化角在很大程度上影響著邊緣裂紋近尖端應力強度因子KΙtip,并且隨著初始極化角的增加,疇變區(qū)將會增韌裂紋尖端。
　　2.基于有限元軟件ANSYS數值模擬,分析了連續(xù)激光輻照下的含中間貫穿裂紋Pb(ZrxTi1-x)O3薄膜90°疇變所誘致的斷裂增韌行為。結果表明在激光作用過程中,靠近Pb(ZrxTi1-x)O3薄膜中心的裂紋處的增韌行為要大于靠近

5、邊緣裂紋處增韌行為。
　　3.區(qū)別于傳統大塊鐵電材料疇變判據,考慮沿薄膜厚度分布的殘余應力和薄膜/基底體系里的由于基底嚴格約束產生的固有應變能,提出一個新的疇變判據模擬力電聯合作用下鐵電薄膜的電滯回線和蝶形曲線。鐵電薄膜中的殘余應力作為外加載荷貢獻給Gibbs自由能。對于90°和180°疇變分別采用不同的臨界能量勢壘,并且固有應變能也被添加到該能量勢壘。一旦疇變驅動力超過相應的Gibbs自由能勢壘,90°和180°疇變就將會發(fā)生。