鐵電體疇結構和極化反轉的計算機模擬.pdf

1、鐵電材料是應用廣泛的一大類功能材料，鐵電性的有效利用和新功能效應的發(fā)現都有賴于對鐵電性內在本質的深入理解。鐵電體物理學是當代凝聚態(tài)物理學的一個重要分支。鐵電體疇結構的理論和實驗研究對理解鐵電體極化反轉過程及其相關物理性質有著十分重要的影響。深刻了解疇結構的形成過程及其動態(tài)過程對于控制和調節(jié)鐵電材料的特性是非常必要的。先前對鐵電體疇結構的研究主要有以下兩個方面：一是基于最小自由能原理與居里原理之上的疇結構確定，包括疇尺寸、疇壁尺寸及相鄰疇

2、的取向關系等研究。另一是基于實驗觀測與運動模式推想相結合的動力學研究。 目前的疇結構的模擬主要是在伊辛(Ising)模型基礎上進行的，模擬結果與實際的疇結構圖案有較大的差別，而且在極化反轉過程中不能夠反映出疇的縱向長大過程。本工作利用計入四自旋相互作用的伊辛模型的格林函數方法進行計算機模擬，直觀地顯示鐵電體的疇結構隨外場電壓的變化圖樣，從而對鐵電體疇結構的反轉機理進行了一些理論研究。這一模型所得結果可以與實驗結果定量地符合，而

3、且在足夠大的四自旋相互作用下可以描述一級相變過程。本論文在二維伊辛模型基礎上，運用蒙特卡羅方法展開了以下三方面的研究： (1)近鄰和四自旋相互作用對鐵電體疇結構影響的模擬。在被研究體系的哈密頓量中分別計入最近鄰相互作用、最近鄰與次近鄰相互作用、最近鄰與次近鄰和第三近鄰相互作用。采用蒙特卡羅方法進行模擬計算鐵電體疇結構的動態(tài)演化和極化反轉過程，討論極化強度P和外電場E之間的關系曲線(P—E電滯回線)。兩自旋相互作用對電疇的縱向長大

4、趨勢沒有明顯的影響；次近鄰和第三近鄰相互作用增強疇壁的運動，而不利于成核過程。為討論鐵電體中發(fā)生的一級相變，必須計入四自旋相互作用。因此，在前面計算的基礎上在哈密頓量中計入四自旋相互作用以及與近鄰相互作用。計算鐵電體疇結構和電滯回線與近鄰自旋相互作用下的區(qū)別。結果表面方型的四自旋相互作用對于疇的縱向生長起主要作用；T型的四自旋相互作用可以導致反鐵電相的出現；在考慮最近鄰、第三近鄰和T型四體相互作用時，出現場致鐵電一反鐵電相變，電滯回線呈

5、壓扁狀；在考慮最緊鄰、第三近鄰、T型和方型四體相互作用時，出現更加明顯的場致鐵電一反鐵電相變。 (2)溫度對鐵電體疇結構和極化反轉影響的模擬。溫度對鐵電體的疇結構和自發(fā)極化有著十分重要的影響。為了了解這個問題，我們模擬了點陣系統從隨機產生的初態(tài)演化到與目標溫度對應的平衡態(tài)的一個微觀態(tài)。而平衡態(tài)的每個微觀態(tài)給出了該溫度下的各個格點自旋指向的一種分布，根據自旋指向分布可得到極化強度。在近鄰、次近鄰、三近鄰和四自旋相互作用的Ising

6、模型的基礎上，利用蒙特卡轉過程。計算結果表明鐵電體的平均自發(fā)極化隨溫度的增加而減小，鐵電體系統的剩余極化、矯頑力隨溫度的升高而下降。這是由于隨著溫度的升高，系統自旋組態(tài)變得更無序，使得反鐵電更容易出現，導致了矯頑場的減小。并且，通過模擬不同溫度下的疇結構圖樣，發(fā)現溫度也可誘導疇結構類型的轉化。 (3)電場對鐵電體疇結構和極化反轉的影響。在外加電場的作用下，鐵電疇結構會發(fā)生變化，通過成核以后的疇壁的運動實現疇的轉向。旅加電場時，極

7、化強度平行于外加電場的疇將增大，而反平行于外電場的疇將縮小，當外加電場大于鐵電材料的矯頑場時，鐵電疇將發(fā)生反轉。本人利用二自旋和四自旋相互作用的Ising模型，采用蒙特卡羅方法研究了不同電場強度下，鐵電體疇結構的動態(tài)演化和極化反轉過程。研究結果表明鐵電體的平均自發(fā)極化隨場強的增加而略有增加，矯頑場隨場強的增加出現了少許的增大，而系統的剩余極化Pr基本保持不變。不同頻率下鐵電體系統的電滯回線，結果顯示電滯回線逐漸變寬。這說明電場頻率越高鐵