纳米铁电材料铁电性及其力电耦合特性的原子尺度模拟研究
铁电材料的制备及其铁电性能研究
铁电材料的制备及其铁电性能研究铁电材料是指具有铁电性质的材料，铁电性质是指在外加电场下，材料会发生极性翻转，即正负极性相互转换。
这种性质使铁电材料广泛应用于存储器、传感器、激光器、换能器、电容器等领域。
本文将介绍铁电材料的制备方法及其铁电性能研究。
一、铁电材料的制备方法1.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是一种低温热处理制备铁电材料的方法。
首先，将合适比例的金属盐溶解在水和有机物的混合液中，然后使之脱水凝固，得到凝胶。
接着，将凝胶热处理干燥，形成透明的玻璃状材料。
该方法制备的铁电材料具有良好的机械性能和化学稳定性。
2.物理气相沉积法物理气相沉积法是一种高温热处理制备铁电材料的方法。
在该方法中，通过激光或者热蒸发等方式将材料原子或分子蒸发，沉积在基底上，形成薄膜结构。
该方法具有工艺简单、生产效率高等优点，可以制备出高质量的铁电薄膜材料。
3.气相沉积法气相沉积法是一种制备铁电材料薄膜的方法，通过气体反应沉积铁电薄膜。
该方法可以制备出大面积、高质量、低成本的铁电薄膜。
在该方法中，可以通过改变反应条件来控制铁电薄膜的性能，如薄膜的微观结构和组分等。
二、铁电材料的铁电性能研究研究铁电材料的铁电性能是了解材料电性能的一种重要手段。
以下是常用的铁电性能研究方法。
1.压电测试压电测试是通过在机械应力下测量铁电材料的电感生成能力来研究铁电性质。
在该测试中，将电极夹在铁电材料两端，给材料施加机械压力后，测量材料中电极间电势差的变化，进而计算出电感。
2.电容测试电容测试是一种测量铁电材料铁电性能的方法。
在该测试中，先将材料置于电场中，并在电场强度不断增大的过程中测量材料的电容变化，进而计算出材料的介电常数与电容变化量之间的关系。
通过电容测试可以了解材料的介电常数、铁电极化强度和耐电压强度等参数。
3.极化测试极化测试是一种研究材料极化行为的方法。
该测试中，通过在外场的作用下，测量材料中电极间电势差，进而计算出铁电极化强度的大小。
铁电纳米材料的电熵效应研究的开题报告
铁电纳米材料的电熵效应研究的开题报告一、研究背景和意义随着纳米技术和电子学的发展，铁电纳米材料的研究日益受到关注。
铁电材料因为具有独特的电学特性，如铁电自极化、压电和电熵效应等，广泛应用于新型记忆体、传感器、随机访问存储器、储能器和微波元器件等领域。
铁电材料吸引人们的主要原因是它们可以通过外界的电场来改变其极化状态，这种状态转换可以产生微观结构的改变，从而导致材料的一系列电学特性的变化。
其中电熵效应是铁电材料在电场作用下发生极化的热力学反应，具有较高的理论和实用研究价值。
目前，国内外学者已经在铁电材料电熵效应方面开展了大量的研究工作，并在热力学性质、局域极化、相变控制等方面取得了重要的进展。
然而，纳米结构的铁电材料由于其表面积增大、粒径缩小等特点，具有比传统大尺寸铁电材料更高的电熵效应，这对于探究其本质热力学特性，进一步理解材料表面的结构和极化状态具有重要的意义。
因此，本文旨在从铁电纳米材料电熵效应的角度入手，研究其理论与实验基础，以期深入探究铁电材料的电学特性，为其在相关领域应用提供参考和支撑。
二、研究内容和方法本文主要研究内容包括：1、铁电纳米材料的电熵效应基本原理。
根据热力学理论和电熵效应实验现象，分析纳米材料电熵效应的微观机制和热力学本质，对其基本原理进行概述。
2、纳米尺度下铁电材料的电熵效应理论模型及计算方法。
建立铁电材料电熵效应的理论模型，将其适应纳米材料的特殊性质，探讨铁电材料的电熵效应在纳米材料中的表现，发展计算方法，为后续实验提供理论计算基础。
3、实验制备和表征纳米铁电材料的电熵效应。
利用化学合成和物理沉积等方法制备铁电纳米材料，并通过XRD、TEM、AFM等手段对其进行表征。
同时，搭建实验平台，研究纳米铁电材料在不同电场下的电熵效应，对结果进行分析和讨论。
三、预期成果和意义本研究将深入探究纳米铁电材料的电熵效应，具有以下预期成果和意义：1、建立铁电纳米材料电熵效应的理论模型，对其微观机制和热力学本质进行深入探究。
超薄钛酸铅纳米管铁电性和力电耦合特性的第一性原理研究
超薄钛酸铅纳米管铁电性和力电耦合特性的第一性原理研究王晓媛;嶋田隆広;北村隆行【摘要】利用基于密度泛函理论的第一性原理的方法研究了超薄钛酸铅(PbTiO3)纳米管的铁电性及力电耦合特性.研究发现对于钛酸铅铁电纳米管结构,即使在其特征尺寸小于铁电薄膜的铁电临界尺寸时,依然存在自发极化.钛酸铅铁电纳米管结构不存在铁电临界尺寸.对纳米管力电耦合效应的研究发现,轴向应变作用会引起包括极化沿轴向方向的铁电相、顺电相和极化沿周向方向的铁电相在内的丰富的相转变.这种相的转变是由于轴向应力所导致的Pb-O共价键的变化所引起的.另一方面,研究了钛酸铅纳米管结构的机械强度,明确了在轴向拉伸和压缩作用下纳米管的临界载荷.【期刊名称】《无机材料学报》【年(卷),期】2014(029)003【总页数】6页(P309-314)【关键词】铁电纳米管;钛酸铅;铁电临界尺寸;第一性原理计算【作者】王晓媛;嶋田隆広;北村隆行【作者单位】中国工程物理研究院总体工程研究所,绵阳621900;日本京都大学机械工程与科学系,日本京都615-8540;日本京都大学机械工程与科学系,日本京都615-8540【正文语种】中文【中图分类】TM22铁电纳米管作为一维多功能材料得到广泛应用, 例如应用于铁电随机存储器及一些微纳米电子器件等。
铁电纳米管的电学性质与管壁的厚度密切相关[2], 深入研究铁电纳米管的铁电性具有重要意义。
近年来, 随着纳米加工技术的发展和电子元器件小型化、集成化的需求, 实验室已成功制备纳米级管壁厚的铁电纳米管[3]。
在特征尺寸如此小的铁电纳米管中, 其铁电性的变化引起了人们浓厚的兴趣。
铁电材料的铁电性来源于长程库仑力和短程分子间范德华力之间的相互作用及其平衡[4],低维纳米材料的结构及尺寸都会影响该平衡作用,从而影响材料的铁电性。
另外, 在铁电材料的表面附近, 垂直于结构表面方向的铁电极化会引起表面电荷的聚集, 导致表面产生退极化场。
铁电材料的性能研究和优化
铁电材料的性能研究和优化铁电材料是近年来备受关注的一类功能材料。
它具有电极化反转和pi电荷重分布的特性，有很高的压电和介电常数，在微电子电路、数据存储和传感器等领域有广泛的应用前景。
然而，铁电材料的性能优化仍是一个挑战，探索如何有效地提高其性能是当前铁电材料研究的热点和难点之一。
在本文中，我将围绕铁电材料的性能研究和优化这一主题进行讨论。
一、铁电材料的结构和性质铁电材料是一类具有铁电性质的无机材料，具有多晶、单晶或薄膜等多种形态。
在其结构上，铁电材料通常采用ABO3的结构，其中A代表Ba、Sr等极性大正离子，B代表Ti、Zr等过渡金属离子，O代表氧离子。
由于这种结构中B离子的电子结构，铁电材料在外电场作用下会表现出自发的电极化反转现象，从而具有压电、介电、铁电等多种性质。
在实际应用中，铁电材料的性能取决于其微观结构、晶体缺陷、材料形貌等多个因素。
其中，晶体缺陷是影响铁电材料性能的关键因素之一。
在晶体中，不同种类的缺陷会影响材料的电导率、介电常数、压电常数等多种性质，从而影响材料在不同的应用场景中的性能表现。
二、铁电材料的性能研究方法铁电材料的性能研究和优化是一个涉及多个层面和方面的工作，需要借助多种技术手段和实验方法。
以下是一些常用的铁电材料性能研究方法：1. X射线衍射：X射线衍射是一种常用的表征材料晶体结构和微观缺陷的方法。
通过X射线衍射，可以得到材料的晶体结构、晶面间距和材料中的缺陷类型等信息。
2. 透射电镜：透射电镜是一种高分辨率的电子显微镜技术，可以用于观察材料的微观结构和缺陷形貌。
通过透射电镜，可以观察到铁电材料的晶界、位错和孪晶等缺陷，并进一步探索这些缺陷对材料性能的影响。
3. 介电和压电性能测试：介电和压电性能测试是评估铁电材料性能的主要方法之一。
在介电测试中，可以测量材料在外电场下的介电常数和介电损耗，从而评估其应用于电容器、电缆等领域的适用性。
在压电测试中，可以测量材料在外力作用下的压电常数和压电系数，从而评估其应用于超声传感器、振动器等领域的性能表现。
简述铁电、压电和热电纳米材料的催化研究
简述铁电、压电和热电纳米材料的催化研究铁电、压电和热电纳米材料近年来在催化研究领域引起了广泛关注。
这些材料具有特殊的结构和性质，对催化反应具有重要作用。
本文将对铁电、压电和热电纳米材料的催化性能进行简要介绍，并分析其应用前景。
铁电材料是一类具有铁电性质的材料，其具有正负两个永久电偶极矩的材料。
研究表明，铁电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
铁电材料的催化性能主要归因于其特殊的电荷分布和表面性质。
例如，铁电材料可以通过调节电荷重排来改变催化活性位点的结合能，从而影响催化反应的速率和选择性。
此外，铁电材料还可以通过外加电场和应力来调控其催化性能。
因此，铁电材料已被广泛应用于氧化还原反应、电催化和光催化等领域。
压电材料是一类具有压电效应的材料，其具有在外力作用下产生电荷分离的特性。
研究表明，压电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
压电材料的催化性能主要归因于其特殊的结构和电荷分布。
例如，压电材料的晶格变形可以改变催化活性位点的结合能，从而影响催化反应的速率和选择性。
此外，压电材料还可以通过外加电压来调控其催化性能。
因此，压电材料已被广泛应用于氧化还原反应、电催化和光催化等领域。
热电材料是一类具有热电效应的材料，其具有在温度梯度下产生电荷分离的特性。
研究表明，热电材料可以用作催化剂，提高催化反应的速率和选择性。
热电材料的催化性能主要归因于其特殊的热导率和电子结构。
例如，热电材料的热导率可以影响催化反应的热量传递和分子扩散，从而调控反应速率。
此外，热电材料的电子结构可以影响催化活性位点的结合能和反应中间体的稳定性，从而影响反应选择性。
因此，热电材料已被广泛应用于热催化和光催化等领域。
目前，铁电、压电和热电纳米材料在催化研究中的应用还处于起步阶段，但已经取得了一些重要的进展。
例如，一些研究发现，通过调控铁电、压电和热电纳米材料的晶格结构和表面性质，可以实现催化活性位点的精确定位和调控。
我国学者发明新型纳米晶铁电材料结构
２０１９年第１期│㊀㊀人能够任意改变形状以适应狭窄的空间环境㊂但由于材料和驱动方式所限，传统软体机器人很难实现身体各部位的自由变形和运动㊂而液态金属材料具有液体的流动性和金属的导电导热性，是制备软体机器人的优良材料㊂该研究小组还在液态金属硅胶复合材料中负载酒精的液滴，通过其相变产生的体积快速变化，实现了液态金属复合材料的热驱动大尺度自由变形和恢复 其膨胀可超过自身原始高度的１１倍㊂值得指出的是，这一复合材料体系中，若缺乏液态金属仅采用传统硅胶材料，则很难实现如此高效率超大尺度变形㊂这是由于液态金属具有良好的导热性和柔性，极大增强了材料的热响应速度和形变率，使其每一部分的任意变形成为可能㊂更重要的是，液态金属具有良好的电学特性，这使得电磁感应或远程激光非接触式加热驱动成为现实㊂因此，通过设计可以实现无线控制这种液态金属复合材料的变形和运动，极大拓展了它的应用范围㊂通过理论分析，我们还得出了热驱动变形的影响因素以及最适宜的材料比例㊂这一突破将可编程㊁可变形液态金属柔性智能机器人研制工作向前推进了一大步㊂ 刘静说㊂所以，在不远的将来， 终结者 那样的机器人将变成现实吗？让我们拭目以待㊂（来源：经济日报）我国学者发明新型纳米晶铁电材料结构㊀㊀在国家自然科学基金项目（批准号：６１５３４００４，６１６０４１１２，６１６２２４０５，６１８７４０８１）资助下，西安电子科技大学韩根全㊁郝跃等在铁电场效应晶体管研究领域取得突破性进展，发明了新型纳米晶铁电材料（Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ－Ｅｍｂｅｄｄｅｄ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，ＮＥＩ）并制备了铁电负电容晶体管器件㊂研究成果以 Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ－Ｅｍｂｅｄｄｅｄ－ＩｎｓｕｌａｔｏｒＦｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＮｅｇａｔｉｖｅＣａｐａｃｉｔａｎｃｅＦＥＴｓｗｉｔｈＳｕｂ－ｋＴ／ｑＳｗｉｎｇ（陡峭亚阈值摆幅纳米晶铁电负电容场效应晶体管）为题，于２０１９年１月作为封面文章发表在微电子器件领域旗舰期刊ＩＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅＬｅｔ⁃ｔｅｒｓ（‘ＩＥＥＥ电子器件快报“）上㊂利用铁电材料作为栅介质制备的铁电晶体管是有望突破传统ＭＯＳＦＥＴ器件玻尔兹曼限制的新型信息器件之一，在低功耗电路和非易失存储等方面有广泛应用前景㊂２０１１年德国研究人员在掺杂氧化铪（ＨｆＯ２）材料中观测到铁电性，和传统铁电材料（如ＰＺＴ，ＳＢＴ等）相比，ＨｆＯ２基铁电和ＣＭＯＳ工艺完全兼容，因此ＨｆＯ２基铁电晶体管很快引起了微电子研究人员的极大关注㊂然而，从目前研究看，ＨｆＯ２基铁电材料尚存在以下问题：１）掺杂ＨｆＯ２的本征缺陷导致铁电材料存在不可避免的唤醒效应㊁印刻效应和易极化疲劳；２）实验研究显示ＨｆＯ２基铁电晶体管用作非易失存储器时栅介质厚度一般为８ １０纳米，而用作负电容晶体管时栅介质厚度为４纳米左右，这限制了ＨｆＯ２基铁电晶体管在集成电路先进技术节点的应用㊂针对上述问题，研究团队采用先进的原子层沉积（ＡＬＤ）工艺，在非晶顺电介质Ａｌ２Ｏ３中嵌入少量氧化锆（ＺｒＯ２）纳米晶颗粒，实现了新型的纳米晶铁电薄膜㊂该材料的铁电参数不仅可以通过改变ＺｒＯ２含量来大范围调整，而且通过使用更致密的Ａｌ２Ｏ３和ＺｒＯ２代替ＨｆＯ２，有效克服了掺杂ＨｆＯ２本征缺陷引起的唤醒效应㊁印刻效应和极化疲劳，从而提高了器件的耐久和保持特性㊂此外，由于ＮＥＩ介质整体为不定形（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）相，可以被制备得非常薄㊂在对ＮＥＩ进行详细铁电特性表征的基础上，研究团队还制备了３．６纳米ＮＥＩ铁电负电容器件㊂器件测试结果表明：和ＨｆＯ２基铁电器件相比，基于该新型纳米晶铁电材料的铁电晶体管可在栅介质厚度更薄的情况下实现稳定的负电容效应，且晶体管亚阈值摆幅突破了６０ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ物理极限㊂论文工作为实现３ ５纳米负电容ＦｉｎＦＥＴ奠定了材料基础，也为我国 后摩尔时代 新器件研发提供了具有自主知识产权的技术方案㊂（来源：中国粉体网）一家新材料公司从对接到落地仅用了１００天㊀㊀众远新材料科技有限公司是宁波岐阳新材料产业园的新成员，主要从事的是以金属３Ｄ打印为代表的增材制造产业原材料，即金属粉末的生产㊂就在几个月前，该公司总经理励达还像无头苍蝇一样，奔波在江苏各地，创业迈开第一步就停滞不前㊁前途未卜１㊀创业第一步就遇到厂房难落实２００７年，毕业于哈尔滨工业大学材料物理专业的励达进入中铝西南铝，从事特种铝合金的开发工作㊂随着以金属３Ｄ打印为代表的增材制造技术在各行各业日益火热，多年的从业经验让他在其貌不扬的金属粉末中看到了一片充满生机的蓝海㊂于是，几番思量之下，他决定下海创业㊂然而，让他始料未及的是，刚迈出创业第一步，就陷入困境：找不到合适金属粉末项目落地的厂房㊂最初的设想是去苏州，因为我们的客户关系主要是在上海㊁江苏一带，苏州在地缘和产业布局上看更适合我们，没想到奔波了大半年，还是一无所获，这对我们是一个非常大的打击㊂ 励达回忆道㊂究竟是什么严苛的场地要求让在很多地区看来炙手可热的高新项目四处碰壁呢？励达解释道： 由于我们的工业生产设备比较高大，生产车间需要满足近１５米的层高，这已经把很多常规性的厂房排除在外㊂同时，为了方便以后的公司运作，这个落地点还需要是一个经过㊀ │２０１９年第１期。
纳米材料的电学性质研究及应用
纳米材料的电学性质研究及应用纳米材料是一种新型材料，因其特殊的尺寸效应和表面效应，具有与宏观尺寸材料不同的物理、化学和电学性质。
在过去的几十年中，纳米材料的研究和应用已经取得了长足的进展。
其中，纳米材料的电学性质研究及应用是一个重要的研究方向。
一、纳米材料的电学性质研究纳米材料的电学性质与其尺寸和形貌密切相关，主要体现在电阻率、电导率、介电常数、电荷密度等方面。
1. 电阻率随着材料尺寸的不断减小，纳米材料中电子与原子间的散射减少，导致电子传输的流动路径减短，使电阻率降低。
同时，纳米材料还存在量子尺寸效应和界面效应等因素，使其电阻率表现出复杂的尺寸依赖性。
例如，在纯银的纳米线中，当直径小于50nm时，电阻率随直径增加而降低，但当直径小于10nm时，电阻率开始升高。
2. 电导率纳米材料的电导率与电阻率有相似的尺寸依赖性。
当材料尺寸减小到一定大小时，电导率会发生突变。
这是因为纳米材料中的电子受到晶格的限制，不再能够自由运动，从而阻碍了电子的导电。
3. 介电常数介电常数主要与材料的极化和导电性质有关。
随着尺寸的减小，纳米材料中电子的极化效应和界面效应越来越明显，从而导致介电常数的改变。
例如，在氧化锌的纳米晶体中，当粒径小于50nm时，介电常数会出现明显增加。
4. 电荷密度纳米材料的电荷密度与其表面形貌和化学成分有关。
在纳米颗粒表面，由于分子结构的改变和表面能的变化，通常会出现电子传输发生和化学反应发生的巨大变化。
以上是纳米材料电学性质的主要特征，而在实际应用中，更多的是关注纳米材料的电学性质所带来的一系列重要应用。
二、纳米材料的电学性质应用纳米材料的电学性质研究为其应用提供了重要的理论基础，同时也使得其应用领域更加广泛。
1. 生物医学纳米材料的电学性质具有较高的生物相容性和生物可降解性，可以在生物医学领域中应用。
例如，利用吸附纳米颗粒的特殊表面性质，可以研制出用于医学影像学和肿瘤治疗的纳米颗粒。
2. 能源存储纳米材料的电学性质能够提高电化学能量储存和释放的效率，因此在能源存储领域中有重要应用。
压电纳米材料与结构的波动行为与有效性能研究-石家庄铁道大学科技处
3．首次预报了纳米压电材料的动态有效特性采用多尺度计算方法，将力-电耦合表面/界面模型与自洽理论等相结合，在国际上率先开展了纳米压电材料动态有效特性研究，揭示了表面/界面能量对宏观动态有效特性的影响规律，获得了材料有效特性随波频的变化关系。
4.发现了电-弹表面/界面参数与内部耦合场分布的关联针对夹杂形状以及增强相的多样性特点，采用不同变换函数，系统研究了纳米压电复合材料内部应力强度和电场的分布特点，发现了界面处应力和电场变化与界面参数之间的关联，得到了不同荷载作用下表面/界面效应对机电耦合性的影响规律。
[6] Fang XQ, Huang MJ, Liu JX, Feng WJ. Dynamic effective property of piezoelectric composites with coated piezoelectric posites Science and Technology, 2014, 98: 79-85.
房学谦/1、刘金喜/2
2010-2014
Fundamental formulations and recent achievements in piezoelectric nano-structures: a review
代表性/3
2010-2014
Effects of surface piezoelectricity and nonlocal scale on wave propagation in piezoelectric nanoplates
铁电材料的研究和应用
铁电材料的研究和应用铁电材料是一种重要的功能性材料，它具有独特的电学和物理性能，因此在许多领域都有广泛应用。
近年来，随着材料科学和纳米技术的发展，铁电材料的研究和应用已经变得越来越重要。
一、铁电材料的基本概念和性质铁电材料是一种具有铁电性质的材料，这种性质类似于磁铁。
铁电材料在无外场的情况下，表现出极化，具有电荷分离的性质，从而形成电场。
同时，当电场加入时，铁电材料还会表现出反向的极化。
这种性质使得铁电材料在电学和电子学领域有了广泛应用。
铁电材料不仅具有极化的特点，还具有一些其他的独特性质，如压电效应、自发偏振和非线性光学等。
这些特性使得铁电材料在机电一体化、通讯和照明等领域有了广泛的应用。
二、铁电材料的研究现状目前，铁电材料的研究主要包括材料的合成、物理性质的研究和材料加工等方面。
材料的合成是铁电材料研究的基础，目前主要有几种方法，如固相反应法、高温固相法、溶胶-凝胶法等。
这些方法可以制备出高质量、纯度高的铁电材料。
物理性质的研究是铁电材料研究的中心内容之一，主要包括铁电性质、压电性质和自发偏振等方面。
这些性质的研究不仅可以深入了解铁电材料的本质特性，还能够为实际应用提供指导和支持。
材料加工是铁电材料研究的另一个重要方面。
目前，铁电材料的加工技术已经相当成熟，主要包括晶体生长、薄膜制备等。
这些技术可以大大提高铁电材料的性能和应用水平。
三、铁电材料的应用铁电材料有广泛的应用前景，主要可以分为以下几个方面。
1. 电子学领域。
铁电材料可以用于制备电子器件，如电容器、振荡器和滤波器等。
此外，铁电材料还可以作为传感器和存储器使用。
2. 光电子学和非线性光学。
铁电材料具有非线性光学效应，因此可以用于制备光学器件，如调制器、波长转换器和光学纤维信号处理器等。
3. 照明和显示。
铁电材料可以用于制备高性能显示器，如液晶显示器、有机发光二极管等。
此外，铁电材料还可以用于制备高效、稳定的LED照明灯。
4. 机电一体化和无线通讯。
铁电材料的畴结构演化和物理特性的相场方法模拟
铁电材料的畴结构演化和物理特性的相场方法模拟在科技日新月异的现代社会,具有多场耦合特性的先进材料的发展,对于材料科学的促进作用越来越明显。
在铁电材料中,这些耦合特性包括电学-力学耦合(如压电效应和挠曲电效应)、电学-热学耦合(如热释电效应)、磁学-电学耦合、以及介电特性等等。
特别是具有应变调制特性的铁电薄膜、复合材料和多层膜结构,更是拥有广阔的发展前景。
而上述这些特性几乎都与铁电材料极化矢量的动力学行为有关,特别是极化矢量对于外部电场的响应。
计算材料学是材料研究中的一种重要工具,它是借助材料的微观结构特性来模拟计算其宏观物理性质的方法。
在本文中,将利用热力学计算方法以及相场方法来研究铁电材料的相关性质。
首先,研究铁酸铋铁电薄膜中的多畴翻转行为。
本文构建了适用于铁酸铋薄膜的相场模型,利用该模型模拟计算电场诱发的极化矢量翻转过程。
计算结果验证了多畴翻转路径选择所遵循的能量最小化机制,揭示了铁电多畴翻转模式。
结果表明,在菱形相薄膜的三种翻转路径中,71°路径是多畴翻转的首选路径。
并且电场的方向、取值和变化率都会对多畴演化过程、以及系统达到平衡状态时的畴结构造成影响。
其次,利用铁酸铋的相场模型,研究了铁电薄膜厚度对多畴翻转行为以及漏电流的影响。
通过分析不同厚度薄膜中各个路径的翻转速率,可以发现,71°翻转路径依然是首选,但翻转速率却因厚度而异。
通过计算不同厚度薄膜的电滞回线,可以得到薄膜的矫顽场与厚度的非线性关系。
结果表明,降低薄膜厚度,会增大诱发极化矢量翻转所需的外加电场,同时会降低多畴翻转效率,使薄膜完成多畴翻转的时间变长。
再次,利用热力学计算的方法,研究元素掺杂对钛酸钡物理性质的影响。
基于热力学理论和实验数据,本文构建了钙/锶掺杂钛酸钡固溶体的热力学势函数。
利用该势函数,计算得到了钙/锶掺杂钛酸钡固溶体的温度-成分相图,其中,钙掺杂固溶体的居里温度和四方相极化矢量都不会受到掺杂的影响,但四方相-正交相、正交相-菱形相转变温度会随掺杂量增大而降低。
铁电材料中的铁电性质研究
铁电材料中的铁电性质研究铁电材料是一种具有特殊性质的材料，其在应用领域具有广泛的应用前景。
铁电材料是指在特定的温度和压力下，具有同时存在铁磁性和电介质性质的材料。
在这些材料中，电子、离子和晶格之间的相互作用导致了远距离的有序排列，使得材料具有铁电性质。
铁电性质是指在电场作用下，材料具有电偶极矩产生的极化效应。
本文将从铁电材料基础性质、铁电材料中的铁电偶极矩与电场相互作用以及铁电材料研究的未来发展等几个方面来深入探讨铁电材料中的铁电性质研究。
一、铁电材料基础性质铁电材料是由一种特殊的材料结构所表现出来的。
这种材料结构具有非中心对称性，且具有不等价离子坐标的特征。
这样的材料结构中离子对晶格的对称性造成破坏，同时又使得离子和电子之间存在强烈的相互作用。
另外，铁电材料中离子和电子之间的相互作用又能够产生电偶极矩，而这种电偶极矩的大小可通过材料的摩尔体积、离子电荷、离子坐标等因素来调节。
二、铁电材料中的铁电偶极矩与电场相互作用铁电偶极矩是指在铁电材料中，电子云在电场作用下分布不均匀，产生有向的电势差，进而形成电偶极矩。
铁电偶极矩是测量铁电性质的一个重要参数，在铁电材料中，电场与铁电偶极矩间的相互作用非常重要。
由于铁电偶极矩的出现和方向取决于材料的结构变化，因此，通过电场引导下，铁电材料中的电子和离子将会发生相应的位移，从而实现铁电极化。
当移除电场时，铁电材料恢复到无偏极状态，电偶极矩也会随之消失。
三、铁电材料研究的未来发展在未来的研究中，铁电性质的研究将会成为凝聚态物理领域中的一个重要研究方向。
当前，人们已经开始探索如何通过调节化学组成、晶体结构、物化性能等来制造新的铁电材料。
压电陶瓷、铁电液晶显示器等已经成为目前应用领域的重要代表。
未来，铁电材料具有很强的发展潜力，如何制造更好的铁电材料，同时探索更多的应用领域，都将是未来铁电材料研究的重要方向。
综上所述，铁电材料中的铁电性质是基于材料特殊的结构所产生的一种性质。
铁电材料的制备及性能表征研究
铁电材料的制备及性能表征研究
铁电材料是一类非常有前途的材料，它们具有独特的电学和磁学性质，以及较高的热稳定性和化学稳定性。
在电子器件，存储器，传感器等领域的应用前景非常广阔。
但是，铁电材料的制备和性能表征对于科学家而言依旧是一个不容易解决的难题。
一、铁电材料的制备
铁电材料的制备可以通过多种方法实现。
其中，溶胶-凝胶法是一种常用的制备方法。
对于铁电材料的合成，通常会制备出钛酸钡（BaTiO3），铌酸锂（LiNbO3）和氧化钨（WO3）等材料。
所谓的溶胶-凝胶法，顾名思义，就是通过化学反应溶解材料的高浓度溶液制备粉末。
该方法的主要优势在于较低的成本，而且能够控制粉末的粒径和分散性。
二、铁电材料的性能表征
铁电材料的性能主要包括铁电性和磁性。
其中，铁电性是指铁电材料在外电场作用下产生极性分布的事实，即它们具有极性和多畴性。
而磁性则是指铁电材料的磁场性质，即它们在外磁场作用下呈现出各种磁性。
一个好的性能表征需要使用一系列的实验方法来测试材料的性能。
例如，铁电性可以通过测量带电极和偏置电压下的极化值来
确定铁电材料的特性。
而磁性则可以通过各种磁性实验进行测试。
总的来说，铁电材料的制备和性能表征是非常复杂和困难的研
究工作。
但是，随着技术的不断进步和发展，这一领域的未来前
景依旧非常广阔，值得继续深入研究。
铁电材料的制备和性能研究
铁电材料的制备和性能研究铁电材料是具有特殊电磁性质的材料，其物理、化学和生物学等领域都有广泛的应用。
铁电材料的制备和性能研究一直是材料科学中的热点和难点之一。
本文将从铁电材料的基本概念出发，介绍铁电材料的制备方法和性能研究进展，并展望其未来发展趋势。
一、铁电材料的基本概念铁电材料是指具有铁电性质的物质，即在外电场作用下，其内部出现极化现象，且在施加的电场消失后，极化仍然存在的物质。
铁电材料不仅具有普通电介质的特性，还具有极化、介电、电光、压电、热电等性质，因而被广泛应用于传感器、电容器、存储器等电子器件领域。
二、铁电材料的制备方法（一）化学合成法化学合成法是指通过化学反应在溶液中合成所需铁电材料的方法。
其主要优点是简单易操作、制备量大，但需要高温高压反应条件，且制备的材料纯度较低。
（二）固相反应法固相反应法是指在高温下将不同金属氧化物或金属碳酸盐混合固态反应得到铁电材料的方法。
其制备条件相对较简单，但制备时间长，制备过程中易出现氧化还原不完全的问题，产物纯度低。
（三）溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是指将金属有机化合物或无机盐溶解于有机溶剂中，形成溶胶，经干燥后得到凝胶，再通过热处理得到铁电材料的方法。
其制备过程中易控制形貌和晶型，材料纯度较高，但需要精确的合成条件和长时间的热处理。
三、铁电材料性能研究进展随着技术的不断发展和人们对铁电材料性能的深入认识，铁电材料的性能研究取得了许多进展，主要体现在以下几个方面：（一）铁电材料的压电性能的研究压电效应是指在受到机械压力时，物质内部发生电极化现象的现象。
近年来，研究人员通过改变铁电材料的晶体结构和元素组成，提高材料的压电性能。
例如，将CaO掺杂到PbTiO3中制备材料的压电系数达到了188 pC/N，比普通PbTiO3高出了近两倍。
（二）铁电材料的光电性能研究铁电材料的光电性能也是近年来研究人员关注的热点之一。
研究发现，铁电材料中的铁电畴可以通过光子激发而变形，从而产生光电效应。
铁电体纳米材料的制备和表征
铁电体纳米材料的制备和表征随着纳米科技的不断发展，纳米材料已经成为了新材料领域的热点研究方向。
铁电体纳米材料由于其优异的物理和化学性质而备受关注。
本文将从铁电体纳米材料的制备和表征两方面展开讨论。
一、铁电体纳米材料的制备铁电体纳米材料的制备一般采用物理法、化学法和生物法等不同方法。
其中，物理法主要包括物理气相沉积、溅射、磁控溅射等技术。
化学法则主要包括合成法、溶胶-凝胶法、水热法、水热合成法等技术。
生物法主要是利用生物体内的特殊酶、蛋白质等分子构筑纳米结构。
1. 物理法物理气相沉积是一种广泛应用的物理法。
通过控制反应温度、气体压力等条件，将金属或氧化物等材料蒸发或削片，使得气体相中的这些原子和分子聚集在靶材表面，从而形成薄膜。
物理气相沉积可以制备铁电体纳米材料的超薄膜，如铁氧化物、氮化铁、锰酸铅等。
另外，溅射和磁控溅射技术也是物理法中常用的方法，这两种技术可以制备出尺寸较小的铁电体纳米材料。
2. 化学法在化学法中，溶胶-凝胶法和水热法最为常用。
溶胶-凝胶法是利用溶胶状态的物质通过加热或减压形成胶体状态，然后通过热处理，形成固体。
水热法则是利用水热反应的原理，在适当的温度和压力下，将溶液中的成分通过反应转化为纳米粒子。
这两种方法的优点是简单易行、成本低。
3. 生物法在生物法中，利用微生物等生物体制备纳米材料成为一种新型技术。
尤其是利用微生物合成纳米金属颗粒或者利用核酸、多肽等对纳米材料进行表面修饰，可以制备出高度单分散的纳米材料，具有较高的热稳定性和防腐蚀性。
二、铁电体纳米材料的表征铁电体纳米材料的表征是制备过程的重要环节。
表征需要采用多种技术手段，比如电学测试、微观测试等。
下面将着重介绍两种常用的表征技术：X射线衍射和透射电子显微镜。
1. X射线衍射X射线衍射是一种用于研究固体结构的技术。
由于不同原子的电子云对x射线有不同的散射效应，因此，如果用x射线作为入射光线，那么产生的散射光将分为很多不同的方向。
铁电铁磁复合材料的计算机模拟研究
铁电/铁磁复合材料的计算机模拟研究随着科学技术的发展和社会的进步，单一性能的材料很难满足新型器件对材料的要求，因此，研究和制备具有多重性能的复合材料已经成为当今材料领域的研究热点。
铁电材料具有铁电性、压电性、热释电效应、声光效应等一系列重要的特性，广泛应用在铁电存储器、微电子机械系统(MEMS)等领域。
铁磁材料则具有磁致伸缩、磁滞现象等特性，是另外一类非常重要的功能材料，被广泛应用在磁记录、滤波器、传感器等领域。
如果一种材料同时具有铁电性和铁磁性两种性能，无疑给传统器件的设计提供一个更大的自由度。
铁电/铁磁复合材料是一种多功能材料，它是由铁电相和铁磁相复合而成的具有磁电转换功能的新型材料，除了具有单一材料的各种性能外，由于电极化和磁化之间的耦合作用，还会出现新的性能——磁电效应。
自从Suchtelen等人于1972年制备了第一种铁电/铁磁复合材料块材（bulk composite）以来，各国科学家开展了大量具有磁电效应的铁电/铁磁复合材料的制备和研究工作。
铁电/铁磁复合薄膜材料（thin film composite）最近也已经引起了人们强烈的关注。
随着实验研究的深入和制备工艺的改善，铁电/铁磁复合材料表现出的性能也越来越好，这在传感器、微位移器、反馈系统以及微波领域、高密度信息存储器等方面具有潜在的应用价值。
如今，铁电/铁磁复合材料以其独有的特性，在微波领域、高压输电线路的电流测量、宽波段磁探测、磁场感应器等领域有着广泛而重要的用途，尤其是微波器件、高压电输送系统中电磁泄露的精确测量方面有很突出的优点。
此外，由于其滞回曲线呈现两种稳定状态，因此容易用在记录介质上。
铁电/铁磁复合材料的研究越来越引起了各国材料科学工作者的重视。
本文中铁电/铁磁复合材料采用双层结构，对铁电层施加电场（电压）时，铁电层由于压电效应发生形状改变，应变通过层间应力传递到铁磁层，由于磁致伸缩的逆效应，铁磁层的磁化强度将发生改变。
铁电铁磁耦合
铁电铁磁耦合一、引言铁电和铁磁现象是两种基本而典型的物理现象，在很多材料中同时出现，通常是由于复杂的相互作用产生的。
随着科技的发展，研究者们开始注意到一些材料既具有铁电性，又具有铁磁性，这种同时具有铁电和铁磁性质的材料被称为铁电铁磁材料。
近年来，铁电铁磁耦合现象引起了广泛关注，其在信息存储、传感器、能源转换等领域具有巨大的应用潜力。
本文将对铁电铁磁耦合的原理、特性、应用领域及研究进展进行探讨和展望。
二、铁电铁磁耦合的原理铁电性是指某些特定材料在特定条件下能产生自发极化，并且其极化状态可以在外电场作用下发生改变的性质。
铁磁性是指材料能被外部磁场磁化的性质，通常在材料中存在大量的磁性原子或分子的排列。
当材料同时具有这两种性质时，即被称为铁电铁磁材料。
铁电铁磁耦合是指铁电和铁磁两种性质之间的相互作用。
这种耦合的产生通常是由于材料内部电子的重新排列和晶格结构的改变，使得极化状态和磁化状态相互影响、相互调控。
例如，在某些材料中，电场可以改变磁化状态，磁场也可以改变极化状态。
这种相互作用为新型电子器件的设计提供了新的思路和可能性。
三、铁电铁磁耦合的特性1.相互调控：由于铁电铁磁耦合的存在，电场和磁场可以相互调控。
这意味着可以通过改变电场来改变磁化状态，或者通过改变磁场来改变极化状态。
这种特性使得铁电铁磁材料在传感器、存储器等领域具有广泛应用。
2.能量转换：铁电铁磁耦合还可以实现能量的转换。
例如，可以利用磁力发电或产生其他形式的能量。
这种能量转换效率高、损耗小，使得铁电铁磁材料在能源转换领域具有巨大潜力。
3.多功能集成：由于铁电铁磁材料同时具有电学和磁学性质，因此可以方便地与其他电子器件进行集成，实现多功能集成化。
这为新型电子器件的设计和制造提供了新的可能性和优势。
四、应用领域1.信息存储：由于铁电铁磁耦合的存在，使得材料在信息存储方面具有独特的优势。
通过改变电场或磁场，可以实现信息的写入和读取，为高密度、快速响应的信息存储器提供了新的解决方案。
纳米材料的电学性质研究
纳米材料的电学性质研究随着科技的不断进步和发展，纳米科技已经成为了当今世界上最热门的领域之一，而纳米材料则是其中最重要的一部分。
纳米材料是一种具有特殊结构和性质的材料，其特点在于其尺寸大小在1到100纳米之间，面积和体积非常小，而且具有高比表面积和独特的电学性质。
因此，纳米材料的电学性质研究成为了近年来研究的热点之一。
纳米材料的电学性质是指它们在电场中的表现和性质，主要包括电容、电导和电阻等。
其中，电容是指一定几何形状的导体所能存储的电荷量，是材料相对于电场的响应能力；电阻和电导则是材料对电流的阻力和导电能力。
纳米材料由于其独特的尺寸效应和量子效应，使得其电学性质具有很高的敏感度、可控性和特异性，因此广泛应用于电子学、传感器、生物医学等领域。
在纳米材料电学性质的研究中，最重要的是理解这些性质与纳米材料表面结构、物理和化学性质之间的关系。
纳米材料表面的原子排列、晶格缺陷等结构因素对电学性质有着重要的影响，而表面化学特性则决定了其在各种环境下的电学性质。
例如，纳米材料表面带有功能性基团，可以是其对特定气体、离子和分子的识别性和响应性增加，从而可以用于制备高灵敏度的传感器。
纳米材料的表面电学性质也可以通过调节其将使表面的化学组成和形貌来控制，这是一种常用的方法，称为化学修饰。
化学修饰可以通过改变纳米材料表面的电荷分布、活性位点和吸附位置等途径，来调节其表面电学性质。
例如，通过在纳米材料表面修饰活性基团可以增强电化学信号，从而提高电化学灵敏度。
另外，由于纳米尺度下材料的电学性质常常受到粒子大小、形态以及结构等因素的影响，因此通过调控纳米材料制备方法和制备条件，可以对纳米材料的电学性质做到精确控制。
例如通过改变引进的异质性材料，可以控制纳米材料的电导率；控制纳米材料晶体的组织方式和缺陷位向，可以调控其电阻率。
值得一提的是，纳米材料的电学性质还可以受到外部影响因素的影响，如光、温度、机械应力和电磁场等。
例如，在光照下，纳米材料的电学性质可能会发生变化，这可以被应用于太阳电池和光电传感器的制备中。
铁电纳米材料和纳米结构研究的进展
铁电纳米材料和纳米结构研究的进展朱信华;朱健民【期刊名称】《电子显微学报》【年(卷),期】2007(026)003【摘要】铁电纳米材料和纳米结构(如纳米线、纳米管、纳米环)具有新型尺寸效应特性,在铁电基电子器件的微型化方面受到广泛关注.近年来在铁电纳米材料和纳米结构的制备和(电性能和微结构)表征及理论模拟方面取得了相当进展,本文对这方面的最新进展进行评述.首先对高质量的铁电纳米材料和纳米结构的制备方法进行了简短评述,然后介绍铁电纳米材料和纳米结构的纳尺度物性表征.随后介绍了最近发展的四种理论模型(尤其对铁电纳米管、纳米线、纳米点),以及从第一原理出发理论模拟铁电纳米结构的新现象,如铁电纳米结构的自发极化螺旋有序和自发极化涡旋结构.最后总结了铁电纳米材料和纳米结构的微结构研究进展,并讨论了有关铁电纳米结构中自发极化螺旋畴的一些基础物理问题以及实验上寻找自发极化螺旋畴的研究进展.%Ferroelectric nanomaterials and nanostructures such as nanowires, nanotubes and nanorings, have received considerable attention due to their novel size-dependent properties and important applications in the miniaturization of ferroelectric-based electronic devices. In recent years advances have been made both in fabrication and (electrical and structural) characterization of ferroelectric nanomaterials and nanostructures, and also in modeling of the resulting properties. An overview of the state of art in ferroelectric nanomaterials and nanostructures is presented. First, we review the fabrication of high-quality ferroelectric nanomaterials andnanostructures by a variety of techniques. The second deals with nanoscale probing the ferroelectric properties of nanomaterials and nanostructures. The third summarizes the recently developed four theories particularly related to nanotubes,nanowires and nanodots, to deeply understand the novel phenomena such as toroidal ordering of polarization and the polarization vortices in ferroelectric nanostructures from the first-principles computational approach. Finally we describe the enormous progresses made in microstructural characterization of ferroelectric nanomaterials and nanostructures, and some fundamental physics questions regarding both toroidal ordering in ferroelectric nanostructures and attempts on experimental searching for such domain structures in FIB-milled ferroelectric nanostructures cut from single ferroelectric crystals, are also discussed.【总页数】21页(P238-258)【作者】朱信华;朱健民【作者单位】固体微结构物理国家实验室,南京大学物理系,江苏,南京,210093;固体微结构物理国家实验室,南京大学物理系,江苏,南京,210093【正文语种】中文【中图分类】TN16;TM22+1;TB383;O766+.1【相关文献】1.纳米材料国内外研究进展Ⅰ——纳米材料的结构、特异效应与性能 [J], 朱世东;周根树;蔡锐;韩燕;田伟2.纳米材料国内外研究进展Ⅱ——纳米材料的应用与制备方法 [J], 朱世东;徐自强;白真权;尹成先;苗健3.纳米材料研究进展Ⅰ：纳米材料结构与化学性质 [J], 翟庆洲4.纳米材料研究进展Ⅱ：纳米材料的制备,表征与应用 [J], 裘式纶;翟庆洲5.坡缕石矿物纳米材料微观结构研究进展 [J], 王占辉;武晋因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
铁电材料的表征及其应用研究
铁电材料的表征及其应用研究概述铁电材料是一类特殊的材料，具有独特的电学性质，可以在外界电场刺激下产生自发的极化效应。
因此，铁电材料在电子器件、储能装置和传感器等领域具有广泛的应用潜力。
本文将重点讨论铁电材料的表征方法以及其在电子器件和传感器方面的研究应用。
第一部分：铁电材料的表征方法1. X射线衍射（XRD）X射线衍射是一种常用的表征铁电材料晶体结构的方法。
通过测量材料的衍射图谱，可以确定材料的晶格常数、晶体结构以及相对晶格位置。
X射线衍射可以提供铁电材料的晶体结构信息，帮助研究人员了解铁电相的性质。
2. 扫描电子显微镜（SEM）SEM是一种常用的表征材料形貌的方法。
它通过扫描电子束在材料表面的散射和透射，获取材料的高分辨率图像。
使用SEM，可以观察到铁电材料的表面形貌、颗粒大小和形状等信息，有助于研究人员了解材料的微观结构。
3. 透射电子显微镜（TEM）TEM是一种用于观察材料微观结构的高分辨率显微镜。
透射电子显微镜通过透射电子束使材料中的原子、晶体和晶界等细节变得可见。
透射电子显微镜可提供关于铁电材料晶格结构、晶界和缺陷的信息，对于研究铁电材料的微观性质非常有帮助。
4. 压电力显微镜（PFM）PFM是一种通过扫描探针测量铁电材料的极化状态的方法。
它利用压电效应，通过控制扫描探针的位置，在材料表面测量极化电荷分布。
PFM可以提供铁电材料的极化反转过程和压电响应的信息，对于研究铁电材料的性质和行为具有重要意义。
第二部分：铁电材料在电子器件中的应用研究1. 铁电存储器铁电存储器是一种利用铁电材料的极化性质来存储数据的设备。
铁电存储器具有非挥发性、高密度、低功耗和快速读写速度等优点。
铁电材料的极化状态可以通过外界电场控制，使得数据的读写更加灵活可靠。
铁电存储器在电子计算机和智能手机等设备中得到了广泛的应用。
2. 铁电电容器铁电电容器是一种利用铁电材料的极化性质来储存电荷的器件。
铁电电容器具有高介电常数、低损耗和快速响应等特点。
无机纳米材料的磁电性能研究
无机纳米材料的磁电性能研究近年来，纳米技术的发展为各个领域带来了巨大的变革，其中无机纳米材料的磁电性能研究引起了广泛的关注。
无机纳米材料具有独特的结构和性能，在磁学和电学领域中呈现出许多有趣的现象和应用。
本文将探讨无机纳米材料的磁电耦合效应、磁电多铁性和磁电功能化等方面的研究进展。
无机纳米材料的磁电耦合效应是指在外加电场或磁场的作用下，材料的磁性和电性能发生耦合变化的现象。
磁电耦合效应被广泛应用于传感器、储能器件和磁存储等领域。
例如，磁电耦合效应可以通过改变材料的磁矩方向来实现数据的读写和存储。
同时，磁电耦合效应还可以用来制备高灵敏度的传感器，能够对微小的电场或磁场变化做出敏感响应。
许多无机纳米材料，如铁磁性氧化物、过渡金属氧化物和稀土氧化物等具有较强的磁电耦合效应，对于开发新型的磁电功能材料具有重要的意义。
磁电多铁性是指材料同时具有磁性和电性的性质。
近年来，磁电多铁性材料受到了广泛的研究兴趣。
无机纳米材料因其尺寸效应和界面效应，表现出了更高的磁电多铁性能。
例如，铁电材料和铁磁材料可以通过选择性控制磁性和电性之间的相互作用来实现磁电多铁性。
通过调控无机纳米材料的尺寸、形态和组成，可以进一步提高材料的磁电多铁性能。
磁电多铁性材料在传感器、存储器件和多功能器件等领域有广泛的应用前景。
除了磁电耦合效应和磁电多铁性，无机纳米材料的磁电功能化也是研究的热点之一。
通过引入外部掺杂剂或修饰剂，可以调节材料的磁电性能，实现特定功能的设计。
例如，通过掺杂稀土离子或过渡金属离子，可以改变材料的电子结构，从而改变磁性和电性之间的相互作用。
此外，表面修饰也可以显著影响无机纳米材料的磁电性能。
通过调节修饰层的厚度和成分，可以有效地改变材料的磁电性能，实现特定的磁电功能。
总之，无机纳米材料的磁电性能研究在材料科学和物理学领域具有重要的意义。
磁电耦合效应、磁电多铁性和磁电功能化等方面的研究进展为开发新型的磁电功能材料提供了理论指导和技术支持。
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无 机 材 料 学 报
Vol. 30 No. 6
Journal of Inorganic Materials
Jun., 2015 DOI: 10.15541/jim20140492
纳米铁电材料铁电性及其力电耦合特性的原子尺度模拟研究
中图分类号: TM22
Research Progress in Atomistic Simulation on Ferroelectricity and Electromechanical Coupling Behavior of Nanoscale Ferroelectrics
WANG Xiao-Yuan1, YAN Ya-Bin1, SHIMADA Takahiro2, KITAMURA Takayuki2
Abstract: For nanoscale ferroelectric materials, their geometrical structures and characteristic sizes strongly affect
the ferroelectricity, which are dominant factors for the reliability of functional materials in micro-electronics. Numerical simulation is an effective tool instead of the experimental method to investigate the physical properties of ferroelectrics. Particularly, when the characteristic sizes of these materials shrink to several nanometers, it may be the only option because no experimental testing system is available due to the restriction in specimen fabrication and measurement precision. In this paper, recent progresses in numerical simulations on the ferroelectricity of typical 2D, 1D and 0D nano-ferroelectrics are reviewed, especially researches on the polarization distribution, phase transition, critical size, and electromechanical coupling behavior of nanoscale ferroelectrics. Finally, the potential research emphases on numerical simulation of the nanoscale ferroelectrics are prospected.
钙钛矿型铁电材料, 如钛酸钡(BaTiO3)、 钛酸铅 (PbTiO3) 等 , 具有良好的铁电性能和电学性质 , 如 高介电常数、低热电损耗及大热电系数等[1]。钙钛 矿型铁电材料以其优良的电学性质被广泛应用于各
种电子器件, 例如压电传感器、激振器、热电热成 像装置和介电电容等[2-4]。近年来, 随着纳米加工技 术的不断发展和电子元器件小型化程度的不断提高, 纳米铁电材料在微电子及微机电系统中得到了更为
收稿日期: 2014-09-26; 收到修改稿日期: 2014-11-10 基 金 项 目 : 中 国 工 程 物 理 研 究 院 科 学 技 术 发 展 基 金 (2013B02044; 2013B0302043); 中 国 工 程 物 理 研 究 院 院 长 基 金 (2014-1-097);国家自然科学基金重点项目(11302205) Science and Technology Development Foundation of CAEP(2013B02044; 2013B0302043);Foundation of President of CAEP (2014-1-097); National Natural Science Foundation of China (11302205) 作者简介: 王晓媛(1984–), 女, 助理研究员. E-mail: xjtuwxy@
王晓媛 1, 闫亚宾 1, 嶋田隆広 2, 北村隆行 2
(1. 中国工程物理研究院 总体工程研究所, 绵阳 621900; 2. 日本京都大学 机械工程与科学系, 日本京都 606-8501) 摘 要: 纳米铁电材料的几何构型和特征尺寸严重影响着材料的铁电性, 对微电子器件中功能材料的可靠性有着至 关重要的影响。数值模拟是研究铁电材料物理特性的重要手段, 并且当材料的特征尺寸缩小至数个纳米的量级时, 由于极小试样精密制备和微小物理量准确测量等方面困难的制约, 数值模拟可能是唯一有效的办法。 本文综述了典 型二维、 一维及零维纳米铁电材料铁电性的若干数值模拟研究进展, 重点介绍了纳米铁电材料的极化分布、 铁电相 变、铁电临界尺寸和力电耦合特性等关键问题的研究成果, 展望了纳米铁电材料模拟研究方面的研究重点。 关 键 词: 纳米铁电材料; 铁电极化; 铁电临界尺寸; 力电耦合; 数值模拟; 综述 文献标识码: A
Key words: nanoscale ferroelectrics; polarization; critical size of ferroelectricity; electromechanical coupling behavior; numerical simulation; review
第6期
王晓媛, 等: 纳米铁电材料铁电性及其力电耦合特性的原子尺度模拟研究
5Байду номын сангаас3
且研究温度、多物理场等外界因素对材料的影响。 模拟的计算量较小 , 可以实现百万甚至数十亿个原 子的计算规模 , 已经成为研究纳米材料物理及力学 性质的有力工具。 相场法 [26-27]是一种建立在热力学基础上 , 考虑 有序化势与热力学驱动力的综合作用建立相场方程 描述系统演化动力学的模型。相场模型的理论基础 是朗道相变理论 , 其核心思想是引入一个或多个连 续变化的场变量 , 用弥散界面 ( 也称扩散界面 ) 代替 传统的尖锐界面来描述界面。这样不仅回避了追踪 复杂界面的困难 , 而且为描述微观组织演化提供了 一个开放的理论框架。在相场模拟中 , 自由能函数 的构建是相场模型的关键。相场模拟最主要的优点 就是同时包含了均匀体热力学和界面热力学 , 对纳 米铁电材料中可能出现的各种畴结构可通过求解同 一组偏微分方程来得到, 并且可以同时考虑长程的 静电、静磁和弹性交互作用。与此同时 , 通过求解 相场动力学方程 , 可以得到畴结构在多场耦合外载 荷作用下的演化过程以及畴变。 纳米材料从维度来看可分为二维薄膜、一维线/ 管、零维点/颗粒/岛/团簇等结构。本文分别以典型 的二维、一维及零维纳米结构为例, 重点综述了近 年来有关纳米铁电材料的铁电极化分布、铁电临界 尺寸及力电耦合特性等问题的数值模拟研究进展。
(1. Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China; 2. Department of Mechanical Engineering and Science, Kyoto University, Kyoto 606-8501, Japan)
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无 机 材 料 学 报
第 30 卷
广泛的应用, 例如铁电随机存储器、激振器、高密 度小型化电容器、武器部件中的点火装置等[5-6]。目 前已制备的纳米铁电结构包括超薄纳米薄膜、纳米 线、 纳米管、 纳米点(nano-dot)和纳米岛(nano-island) [7-12] 等 。 与宏观块体材料相比, 纳米量级铁电材料的 性能会有较大的不同 , 例如介电常数较大 , 存储密 度成倍提升等 [13-14], 改变主要是由纳米铁电材料中 铁电性的变化所引起的。 铁电材料的铁电性是指材料具有自发极化的性 质 , 这种自发极化是短程分子间范德华力和长程库 仑力之间共同作用的结果 , 其中库仑力有利于产生 四方相 , 从而增强铁电性 ; 短程分子间力则有利于 立方相的产生, 从而削弱铁电性。图 1 为顺电态和 铁电态时钙钛矿型铁电材料 ABO3 的晶体结构示意 图, 其中矢量 P 代表铁电极化。顺电态时, 材料为 中心对称的立方结构 , 正负电荷中心重合 , 无铁电 极化; 铁电态时, 材料为非中心对称的四方相结构, 此时晶体内正负电荷中心的不重合会导致电偶极子 的产生 , 从而在宏观上表现为材料的铁电极化。铁 电材料的铁电极化不依赖于外界电场而存在 , 并且 在外加电场的作用下, 极化方向会发生反转。 对于低维纳米结构 , 由于缺乏周期性 , 长程库 仑力被截断。 同时, 在纳米结构的表面边界附近, 由 于原子配位数的减少 , 短程分子间作用力也会发生 较大的改变。因此 , 纳米材料的铁电性与宏观块体 材料相比会产生较大的改变 , 继而影响到材料的电 学性质。 另一方面 , 由于铁电材料自发极化的大小与晶 体结构的不对称性密切相关 , 而外界应力或应变会 改变这一几何不对称性 , 继而显著影响材料的铁电 性[15-16]。铁电材料的机械载荷与电学性质之间的耦 合作用被称之为“力电耦合特性”。对于纳米铁电
图 1 (a)顺电相和(b)铁电相时钙钛矿材料 ABO3 的晶体结构 Fig. 1 Crystal structures of perovskite oxides ABO3 in the (a) paraelectric phase and (b) ferroelectric phase