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微纳尺度铁电材料由于在高密度非易失性存储、传感器、光学器件和微电子机械系统(MEMS)等方面的巨大应用潜力和前景,近年来掀起了理论和实验研究的热潮。与体材料相比,微纳米尺度铁电材料受到了更多诸如尺寸效应、表面效应、边界条件、温度、外加电场以及外延应力的影响,这些因素在很大程度上改变了铁电材料的关键性能,同时也提供了对铁电材料关键性能进行调控的途径,因而对微纳尺度,尤其是纳米尺度铁电材料的研究显得意义重大,也成为近年的一个研究热点。
本文主要在理论上研究微纳尺度下,尺寸效应和表面化学状态对铁电材料相关性能的影响,同时从实验上进行铁电纳米管、铁电薄膜的制备及表征和铁电光电晶体的提拉法生长研究。以下是本论文研究的主要思路、研究方法和相关结论:
(1)基于热力学理论,根据Landau-Ginzburg-Devonshire(LGD)方程对铁电纳米线进行建模,考虑表面效应、尺寸效应和应力等因素对自由能的贡献,建立含时的Ginzburg-Laudau(TDGL)方程。运用变分原理和稳定性分析方法求解,得到铁电纳米线的尺寸-相变温度关系(S-T相图)的解析式,进一步探讨在外力加载下铁电纳米线的S-T相图并对其可能的应用进行分析。
(2)将相场理论应用于微纳尺度铁电薄膜的热力学理论模型数值模拟中。在基于热力学理论和LGD方程,考虑尺寸、表面效应、失配应变、退极化场等对自由能的贡献后,对微纳尺度铁电薄膜进行建模,建立TDGL方程。对所建立的模型进行2维和3维的数值模拟,得到铁电薄膜的铁电畴结构,以及在表面补偿电荷积累过程中薄膜内部电畴的演化过程,揭示铁电薄膜表面化学状态对薄膜畴结构和极化反转的影响规律。
(3)基于溶胶-电泳和阳极氧化铝模板辅助方法,制备PbTiO3(PTO)纳米管,进行相应的形貌和结构分析,采用紫外光刻技术制备出金属-铁电纳米管-金属(M-FN-M)结构,实现对单根PTO纳米管进行Ⅳ曲线和电滞回线电性能测量,并对测量结果进行相应的探讨。
(4)基于溶胶凝胶方法,直接在硅片上制备BiFeO3(BFO)纳米薄膜,形成铁电-半导体异质结,并对其进行相应的形貌、结构分析、Ⅳ整流特性和应用探讨。
(5)基于课题组研究需要,综合运用光电晶体提拉法生长技术、面向对象编程技术、自动化控制技术、单片机技术和电子线路设计技术,研制出高精度、自动化的光电晶体提拉炉,并用于实验室研究工作中。