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钙钛矿型铁电薄膜材料具有铁电性、热电性、光电性、光折变性等多种性能,被越来越多的应用于微电子领域,成为制作非易失存储器、场效应管和热电传感器等的主要材料。但铁电薄膜厚度一般在微米以下,此时薄膜的尺寸效应很强,研究铁电薄膜材料的尺寸效应具有实际的理论和应用意义。
本文基于金茨堡-朗道-德文希尔(GLD)唯象理论框架,利用等效应变模型考虑薄膜内应变松弛,同时还结合薄膜表面晶格变化引起的极化改变和表面电荷引起的退极化效应等机电耦合边界条件,应用相场法建立了金茨堡-朗道-德文希尔时间发展方程。通过线性假设分析求解了顺电相向铁电相转变初始阶段居里温度随薄膜厚度的变化,并通过有限差分法数值求解了铁电薄膜的相变温度,铁电性,相结构类型与稳定性与薄膜厚度,机电耦合边界条件等的依赖关系。结果显示,铁电薄膜在尺寸较小时,机电耦合边界条件作用明显,而尺寸较大时,薄膜性能接近于块体材料,机电耦合边界条件影响较小,即尺寸效应不明显。机电耦合边界条件是影响铁电薄膜性能尺寸效应的主要因素,而各个因素之间的相互竞争决定了薄膜的最终性能。通过分析发现,当薄膜厚度较小时,薄膜表面极化改变和电极引起的退极化效应主导薄膜铁电性的尺寸效应,而薄膜厚度较大时,薄膜内应变松弛效应是铁电薄膜铁电性趋于块体材料铁电性的主要因素。由于薄膜内存在应变松弛效应,在温度不是很高时,首次得到了较厚单畴铁电薄膜在高拉应变区会出现稳定的c相。
对薄膜尺寸效应的分析具有实际指导意义。在实际的制备过程中,选择合适的基底可以得到性能最佳的铁电薄膜,也可通过选择生长合适的薄膜厚度,从而达到性能最佳和体积较小高集成的效果。同时,本文还提出了薄膜的铁电性,相结构和稳定性是多种边界相互竞争下的表现,进而完善了铁电薄膜相图。