多鐵性納米復合薄膜磁電耦合性能的理論研究.pdf

1、隨著現代微、納信息技術的迅猛發(fā)展，開發(fā)集電、磁、光等于一身的多功能智能薄膜材料已成為當前先進制造、材料、物理、微電子等領域的重要研究熱點。多鐵性納米復合材料由鐵電/壓電材料和磁致伸縮材料復合而成，通過兩相之間應力/應變的傳遞實現鐵電-鐵磁之間的耦合，從而產生磁電耦合效應，即材料在外磁場中產生介電極化或者在外電場中產生磁化的特性。然而，與塊體材料不同的是，多鐵性納米復合薄膜是沉積在基底上的，因此受基底的夾持作用非常明顯，大的夾持應變將會影

2、響其磁電性質。目前對多鐵性復合薄膜磁電性能的理論研究并不完善，傳統(tǒng)的預報塊體復合材料磁電耦合的理論公式已不適用于納米薄膜材料，仍然需要進一步的理論研究和分析。
　　 本文采用朗道金茲堡德文希爾熱力學理論推導了適用于平面層狀外延的和垂直外延的鐵電薄膜的赫姆霍茲自由能表達式，研究了薄膜的鐵電性能和壓電性能;結合彈性理論，分別對層狀外延多鐵性復合薄膜（2-2型）和垂直外延多鐵性復合薄膜（1-1和1-3型）的磁電電壓系數進行了理論研究，

3、主要研究內容和結果如下:
　　 (1)對于外延生長在立方基底上的BaTiO3和PbTiO3層狀鐵電單疇薄膜，根據熱力學理論，分析了基底與薄膜界面之間產生的平面錯配應變對薄膜鐵電相變的影響。討論了薄膜的壓電性質與鐵電薄膜面內應變的關系。
　　 (2)對于層狀外延多鐵性復合薄膜（2-2型），考慮基底的夾持作用，結合熱力學理論和彈性理論，分析了基底薄膜厚度比、鐵電相含量比和鐵電薄膜面內應變對復合薄膜磁電電壓系數的影響。結果表明

4、2-2型多鐵性復合薄膜中磁電耦合效應受基底夾持作用非常明顯，即當基底厚度增加時磁電電壓系數明顯減小。與塊體材料不同，鐵電薄膜面內應變對磁電耦合性能影響很大，選擇適當的基底材料可有效調控多鐵性復合薄膜的磁電電壓系數。通過該方法計算得到的復合薄膜磁電電壓系數與前人的實驗結果較好吻合。
　　 (3)對于垂直外延復合薄膜中的BaTiO3和PbTiO3鐵電單疇薄膜，除在平面內受到基底夾持外，在垂直于薄膜平面外（面外）的方向還受到另一相薄膜

5、的夾持作用。結合對應的力學邊界條件，給出了適用于三維夾持約束邊界下鐵電薄膜的赫姆霍茲自由能表達式，分析了垂直外延復合薄膜中鐵電薄膜的應變狀態(tài)（面內應變和面外應變）對其鐵電性能、壓電性能的影響。研究結果表明垂直外延鐵電薄膜上的應變會導致薄膜發(fā)生鐵電相變，進而對不同相的鐵電性能和壓電性能產生影響。
　　 (4)對于垂直外延多鐵性復合薄膜（1-1和1-3型），結合熱力學理論和彈性理論，考慮了兩相薄膜在面外方向的彈性作用，分析了鐵磁相含