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
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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