铁电畴纳米尺度压电变形的定量分析

摘要

独特的微观畴结构使得铁电材料具有优越的物理特性和广泛的应用前景，吸引着众多科研工作者的关注。压电力显微镜(PFM)作为在纳米尺度表征铁电材料的重要工具，被广泛地用于铁电畴的研究中。但电畴自身的非均匀性、PFM导电探针激发的电场高度局域性、以及探针与测试材料间复杂的长程力电相互作用，使得PFM测试定量分析还存在着很大困难，这严重阻碍了铁电材料纳米尺度力电耦合的研究，延缓了基于纳米尺度力电耦合性能电子元器件的开发。为此，本论文针对PFM技术，定量分析了铁电畴结构，包括电畴尺寸、畴壁及其厚度等因素，对铁电材料纳米尺度压电变形的影响，相应的研究内容和成果概括如下：
　　第一，建立起了复杂铁电畴结构纳米尺度压电变形的理论框架。通过镜像电荷方法，计算模拟出了导电探针所激发的电场；考虑到复杂铁电多畴结构的极化取向及空间压电张量的非均匀分布，结合弹性本构方程，通过格林函数方法，推导出了复杂铁电畴结构纳米尺度压电位移分析的基本理论框架，为分析电畴尺寸和畴壁对纳米尺度压电变形的影响提供了基本理论框架。
　　第二，计算分析了铁电畴壁处纳米尺度压电响应，揭示出了其特殊纳米尺度压电变形的机理。通过模拟分析发现面外非电荷畴会出现特殊的面内压电响应，而面内电荷畴则会出现特殊的面外压电响应，究其原因在于：面外非电荷畴壁处的面内压电位移来源于长程力电约束反对性的破坏，而面内电荷畴壁处的面外位移响应则源于面内压电位移的不连续。
　　第三，分析了畴壁厚度对铁电畴纳米尺度压电变形的影响，提出了增加畴壁厚度增强纳米尺度力电耦合性能的方案。通过将畴壁视为具有一定厚度的均匀的压电介质，且其压电系数取决于其厚度和相邻电畴的压电系数，并基于此，分析并发现增大畴壁厚度能够增强90非度电荷的横向压电响应和90电荷畴的垂直压电响应，提出了基于增加畴壁厚度提高铁电材料纳米尺度力电耦合性能的新方法。
　　第四，计算分析了电畴尺寸、倾斜畴壁及畴壁厚度对周期性铁电畴纳米尺度压电变形的影响。通过对周期性铁电畴结构的计算分析，发现畴壁的倾斜打破了铁电畴的纳米尺度压电位移响应的对称性，但并没有改变其变形起伏的周期性，且合适的电畴尺寸，才能使得周期性铁电材料同时具有优异的力电性能和较小的性能起伏。
　　本论文的研究工作和研究成果，实现了复杂铁电畴纳米尺度压电变形的定量分析，为PFM技术的应用和发展提供了良好的理论基础和指导，也为制备优异纳米尺度压电性能的铁电材料提供了一定的实验方案。

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第1章 绪论

1.1 铁电材料晶体结构及其微观畴结构

1.2 铁电材料纳米尺度压电性能的研究

1.3 本文选题依据和主要内容

第2章 纳米尺度压电形变分析的理论框架

2.1 针尖点电荷模型及其电场分析

2.2 单畴铁电材料纳米尺度压电变形

2.3 复杂铁电畴纳米尺度压电变形理论

2.4 本章小结

第3章 铁电材料畴壁处特殊纳米尺度压电形变分析

3.1 面外极化非电荷畴畴壁处纳米尺度压电响应及其机理

3.2 面内极化铁电畴纳米尺度压电响应及其机理

3.3 畴壁取向对纳米尺度压电变形响应的影响

3.4 本章小结

第4章 畴壁厚度对铁电畴压电变形的影响

4.1 畴壁结构模型及其压电位移响应理论

4.2 畴壁厚度对不同铁电畴结构压电响应的影响

4.3 本章小结

第5章 电畴尺寸及倾斜畴壁对周期性铁电畴压电变形的影响

5.1 垂直周期性铁电畴结构

5.2 倾斜周期性铁电畴结构

5.3 畴壁具有厚度的周期性铁电畴结构

5.4 本章小结

第6章 总结和展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果