鐵電薄膜的靜態(tài)特性及動態(tài)介電特性的結構過渡層效應.pdf

1、鐵電薄膜與體材料相比可以具有良好的壓電、熱釋電、電光、聲光、光折變效應、非線性光學效應和高介電系數(shù)等優(yōu)良特性[10]。近十幾年來，鐵電薄膜的制備技術有了很大的進步，極大地拓寬了應用領域的范圍。例如非易失性鐵電存儲器（FERAM）、動態(tài)隨機存儲器（DRAM）、薄膜電容器、微驅動器和執(zhí)行器、紅外探測器、熱釋電傳感器列陣、光波導器件、光學顯示及存儲器、空間光調制器、激光倍頻器等。隨著科技的日益發(fā)展和研究的深入，人們期望基于鐵電薄膜的設備能夠小

2、型化、高密度和低能量損耗等等。然而，由于制備過程中雜質、缺陷、表面和界面應力以及不同組分間的界面效應等因素，導致鐵電薄膜的物理性質與相應體材料的不同，有些情況下這種差別非常大。也會出現(xiàn)新的現(xiàn)象，如尺寸效應等。從眾多已經(jīng)發(fā)表的關于鐵電薄膜制備和性質的研究報告中能夠知道以下問題，所有研究結果均存在個體的差異，即使工藝相同、材料成分一樣也是如此。這說明鐵電薄膜的物理性質不但與材料和其成分有關，而且與具體工藝過程細節(jié)有關。通過調研和大量已發(fā)表的

3、研究結果分析，我們認為由于鐵電薄膜與電極之間、不同材料間的界面應力以及缺陷都是原生的，實驗的個體差異就是原生的應力及缺陷分布不同所致，它們的存在會造成薄膜結構的局部差異，結果會在薄膜的表面或界面附近產(chǎn)生結構過渡區(qū)，正是這種結構過渡區(qū)對鐵電薄膜性質的影響能夠產(chǎn)生較大的影響，甚至可以導致體材料沒有的物理效應。因而無論從是科學認識過程要求和理論發(fā)展的需求，還是為了制備高質量、工作穩(wěn)定的更小尺寸的商業(yè)化器件都要求人們做進一步的基礎實驗和理論研究

4、工作。因而對表面或界面過渡層效應的基礎研究，不但具有理論研究意義而且具有非常實際的研究價值。本論文就是在這樣的背景下，通過引入結構過渡層，研究鐵電薄膜的靜態(tài)性質和動態(tài)介電性質。
　　本文分別采用橫場Ising模型、GLD唯象理論，在平均場近似下研究了鐵電薄膜的極化分布、相變溫度及熱釋電等性質的表面過渡層效應。
　　在采用橫場 Ising模型的理論研究中，首次引入了層內(nèi)贗自旋相互作用函數(shù)和層間贗自旋相互作用函數(shù)J(m)來表征表

5、面過渡層內(nèi)的結構的不均勻特點。(e)這是對推廣使用橫場Ising模型研究鐵電薄膜的可能產(chǎn)生推動作用的主要創(chuàng)新之一。Jma得到新結論有：（1）鐵電薄膜存在表面過渡層是薄膜性質不同于體材料的本質原因，而過渡層厚度是影響鐵電薄膜靜態(tài)性質的一個很重要的因素。（2）表面過渡層可以使薄膜的相變溫度高于或低于體材料的相變溫度。在過渡層中層內(nèi)贗自旋相互作用系數(shù)比層間贗自旋相互作用系數(shù)對于體系性質的影響要更加顯著。（3）由于表面過渡層（贗自旋相互作用系數(shù)

6、小于相應體材料的值情況）的作用，當贗自旋相互作用較弱時，薄膜存在臨界的厚度，如果薄膜的厚度小于臨界厚度時鐵電薄膜的鐵電性將消失。
　　為了探討結構過渡層對鐵電超晶格、多層鐵電薄膜性質的影響，論文研究了對在界面附近存在結構過渡區(qū)和在界面處兩組分存在鐵電耦合的雙層鐵電薄膜的性質進行了理論探討。在這種構型的鐵電復合薄膜研究中，論文首次把結構過渡層引入研究中，為深入了解這種構型的鐵電復合薄膜的奇異特性產(chǎn)生的物理機制提出了新的認識方向。為使

7、結果具有普適性，采用了GLD唯象理論。得到以下主要結論是：在界面間界耦合為鐵電耦合的情況下，界面間界耦合有利于薄膜處于鐵電相，而結構過渡層對系統(tǒng)的鐵電性有抑制作用。在這種構型的情況下，鐵電雙層膜將存在一個兩種相互抵制作用的平衡點。鐵電雙層膜性質奇異的反常行為表現(xiàn)是源于結構過渡層和界面間耦合之間的競爭偏離平衡點。例如當體系處于界面間界耦合的作用小于結構過渡層時狀態(tài)時，可能產(chǎn)生尺寸驅動的相變。反之，不能發(fā)生尺寸驅動的相變。
　　論文首

8、次在平均場近似理論框架下，討論表面結構過渡層對薄膜的動態(tài)介電常數(shù)的影響，得到如下結論：（1）晶格振動阻尼作用是降低相對介電常數(shù)實部和虛部的峰值，并且拓寬峰寬。（2）結構過渡層能使相對介電常數(shù)的實部和虛部的峰值的溫度位置向低溫區(qū)移動，軟模頻率將隨著結構過渡層影響的增加而降低。
　　本論文是在熱力學宏觀理論和平均場近似理論的框架下，研究了鐵電薄膜的靜態(tài)性質和動態(tài)性質，以及鐵電雙層薄膜的極化分布和相變性質。所取得的結果和結論豐富了鐵電薄