多铁性纳米复合薄膜磁电耦合性能的理论研究

摘要

随着现代微、纳信息技术的迅猛发展，开发集电、磁、光等于一身的多功能智能薄膜材料已成为当前先进制造、材料、物理、微电子等领域的重要研究热点。多铁性纳米复合材料由铁电/压电材料和磁致伸缩材料复合而成，通过两相之间应力/应变的传递实现铁电-铁磁之间的耦合，从而产生磁电耦合效应，即材料在外磁场中产生介电极化或者在外电场中产生磁化的特性。然而，与块体材料不同的是，多铁性纳米复合薄膜是沉积在基底上的，因此受基底的夹持作用非常明显，大的夹持应变将会影响其磁电性质。目前对多铁性复合薄膜磁电性能的理论研究并不完善，传统的预报块体复合材料磁电耦合的理论公式已不适用于纳米薄膜材料，仍然需要进一步的理论研究和分析。
　　 本文采用朗道金兹堡德文希尔热力学理论推导了适用于平面层状外延的和垂直外延的铁电薄膜的赫姆霍兹自由能表达式，研究了薄膜的铁电性能和压电性能;结合弹性理论，分别对层状外延多铁性复合薄膜（2-2型）和垂直外延多铁性复合薄膜（1-1和1-3型）的磁电电压系数进行了理论研究，主要研究内容和结果如下:
　　 (1)对于外延生长在立方基底上的BaTiO3和PbTiO3层状铁电单畴薄膜，根据热力学理论，分析了基底与薄膜界面之间产生的平面错配应变对薄膜铁电相变的影响。讨论了薄膜的压电性质与铁电薄膜面内应变的关系。
　　 (2)对于层状外延多铁性复合薄膜（2-2型），考虑基底的夹持作用，结合热力学理论和弹性理论，分析了基底薄膜厚度比、铁电相含量比和铁电薄膜面内应变对复合薄膜磁电电压系数的影响。结果表明2-2型多铁性复合薄膜中磁电耦合效应受基底夹持作用非常明显，即当基底厚度增加时磁电电压系数明显减小。与块体材料不同，铁电薄膜面内应变对磁电耦合性能影响很大，选择适当的基底材料可有效调控多铁性复合薄膜的磁电电压系数。通过该方法计算得到的复合薄膜磁电电压系数与前人的实验结果较好吻合。
　　 (3)对于垂直外延复合薄膜中的BaTiO3和PbTiO3铁电单畴薄膜，除在平面内受到基底夹持外，在垂直于薄膜平面外（面外）的方向还受到另一相薄膜的夹持作用。结合对应的力学边界条件，给出了适用于三维夹持约束边界下铁电薄膜的赫姆霍兹自由能表达式，分析了垂直外延复合薄膜中铁电薄膜的应变状态（面内应变和面外应变）对其铁电性能、压电性能的影响。研究结果表明垂直外延铁电薄膜上的应变会导致薄膜发生铁电相变，进而对不同相的铁电性能和压电性能产生影响。
　　 (4)对于垂直外延多铁性复合薄膜（1-1和1-3型），结合热力学理论和弹性理论，考虑了两相薄膜在面外方向的弹性作用，分析了铁磁相含量比和不同基底材料对磁电电压系数的影响。结合弹性理论分析可知，基底的夹持应变和铁磁相含量比可直接影响铁电相的薄膜平面外应变，因此，选择不同晶格常数的基底材料和铁磁相的成分可有效地调控垂直外延多铁性复合薄膜的磁电电压系数。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 多铁性复合薄膜概述

1．2 多铁性复合材料的潜在应用

1．3 多铁性复合薄膜材料的复合方式与实验研究现状

1．3．1 层状外延多铁性复合薄膜的实验研究现状

1．3．2 垂直外延多铁性复合薄膜的实验研究现状

1．4 多铁性复合薄膜的理论研究现状

1．5 本文研究的内容

第2章 平面外延铁电薄膜的铁电性能研究

2．1 引言

2．2 平面外延铁电薄膜的热力学势

2．3 铁电薄膜相变与平面错配应变的关系

2．4 铁电薄膜介电系数与平面错配应变的关系

2．5 铁电薄膜压电劲度系数与平面错配应变的关系

2．6 本章小结

第3章 层状外延多铁性复合薄膜的磁电性能研究

3．1 引言

3．2 2-2型层状多铁性复合薄膜理论分析

3．3 基底薄膜厚度比对磁电性能的影响

3．3．1 基底薄膜厚度比对复合薄膜有效压磁系数的影响

3．3．2 基底薄膜厚度比对铁电薄膜应变状态的影响

3．3．3 基底薄膜厚度比对磁电电压系数的影响

3．4 薄膜之间含量比对磁电电压系数的影响

3．5 铁电薄膜面内应变对磁电电压系数的影响

3．6 本章小结

第4章 垂直外延铁电薄膜的铁电性能研究

4．1 引言

4．2 垂直外延铁电薄膜的热力学势

4．3 电极化性质与铁电薄膜应变的关系

4．4 介电性质与铁电薄膜应变的关系

4．5 压电劲度系数与薄膜内应变的关系

4．6 本章小结

第5章 垂直外延多铁性复合薄膜的磁电性能研究

5．1 引言

5．2 垂直外延多铁性复合薄膜理论分析

5．3 铁磁薄膜含量对磁电电压系数的影响

5．3．1 铁磁薄膜含量对面外应变的影响

5．3．2 铁磁薄膜含量对压磁系数的影响

5．3．3 铁磁薄膜含量对磁电电压系数的影响

5．4 铁电薄膜面内应变对磁电电压系数的影响

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 对今后工作的设想

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果