铁电陶瓷的单电畴力学模型

物理实验证实铁电陶瓷的畴变是一个复杂的物理渐变过程,因此论文中引入了电畴翻转体积分数来表征这一过程,以电畴翻转体积分数为内变量,建立了考虑电畴翻转体积分数的铁电材料本构关系。接着提出了单电畴力学模型,把极化后的铁电试样看作横观各向同性单电畴的均匀材料。利用考虑电畴翻转体积分数的铁电材料本构关系,根据部分实验数据,拟合出电畴翻转驱动力与电畴翻转体积分数之间的强化关系曲线。然后根据标定出的强化关系曲线计算铁电试样在力电载荷下的响应。理论预测与实验结果符合良好。

铁电陶瓷微观电畴演化的成核率模型

大量的实验已经证实电畴翻转是铁电材料非线性和迟滞性本构曲线的根本原因.根据这些描述电畴运动的物理实验结果,提出了成核率模型来模拟铁电材料的非线性本构行为.进一步由模型建立了基于微观电畴运动的电畴翻转体积分数演化方程.应用该模型得到的理论计算结果与实验数据的比较表明,模型能够描述铁电材料的非线性本构行为.同时模型所揭示的微观电畴成核的演化行为可进一步的指导宏观唯象模型的建立与改进.

单晶铁电畴反转的简化模型

建立具有钙钛矿结构铁电材料的基本电畴结构类型及电畴反转系的表示方法;将电畴反转类似为晶体塑性理论的位错运动,采用内时理论的类似方法,提出一个较简便的电畴体积分数的演化方程,能综合考虑到反转驱动力、180和90反转的不同形式、电畴体积分数及反转的变形历史等对反转的影响.对不同外加力电载荷条件下单晶材料的响应进行了模拟计算,能较好反映铁电材料的电位移与电场强度、应变与电场强度、应力与应变、应力与电位移等的非线性力电耦合关系.

铁电陶瓷中电畴翻转研究进展

电畴为铁电陶瓷固有的独特微观组织特征之一,铁电陶瓷的许多性能均与其密切有关.综述了铁电陶瓷中的电畴结构,系统介绍了电场、机械作用引起的电畴翻转,概述了电畴翻转对铁电陶瓷断裂韧性的影响及其研究进展.

扫描探针显微镜对纳米尺度铁电畴极化反转的研究

利用扫描探针显微镜(SPM)的压电响应模式(PFM)和电场力响应模式(EFM)对PbTiO3/Pb(Zr0.3Ti0.7)O3/PbTiO3(PT/PZT/PT)夹心结构铁电薄膜的自发极化与纳米尺度电畴反转行为进行了研究。SPM的PFM对薄膜电畴的极化反转研究表明,在相同的有限电压下,薄膜的电畴因不同结构而不能全部反转而取向一致;同时,不对称电极产生的内建电压(场)会导致不同方向上极化反转电压的不同。SPM的EFM不宜用来研究铁电薄膜的自发极化电畴结构,但对电畴的取向极化有较高的区分度,适于研究电畴的取向极化。经正电压极化后,极化的区域呈高电势的亮区;经负电压极化后,表现为低电势的暗亮度区域。

BaTiO_3晶体的电畴结构和单畴化方法

BaTiO3晶体的光折变应用之前，必须对晶体进行单畴化处理．根据BaTiO3晶体中90°电畴结构和包裹体之间的关系，我们找到一种在晶体极化之前就能有效地检查出BaTiO3晶体中包裹体的方法．根据BaTiO3晶体中90°电畴和180°电畴的形成特点，既可以让晶体以缓慢速度降温通过顺电-铁电相交点（1℃／15min），消去BaTiO3晶体的90°电畴，也可以用在α轴方向上施加一定的压力消去BaTiO3晶体的90°电畴．180°电畴可以在晶体的温度接近居里点时。

PMNT单晶电畴结构随组分与结构的变化

利用多种方法观察了弛豫型铁电单晶ＰＭＮＴ中电畴结构随组分与结构的演变过程与特征．观察发现，在ＰＭＮ－ＰＴ的三方相区内，随ＰＴ含量的增加，电畴结构表现出微畴一（亚微畴）－不规则宏畴一规则宏畴转变历程；在三方－四方相变中，非１８０°电畴发生７１°（或１０９°）宏畴－９０°宏畴的转化，同时电畴图像变得更为规则．根据不同组分ＰＭＮＴ电畴的显示特征，提出晶体的最大双折射率可以作为度量其弛豫性强弱的光学参数．观察到了电畴的分布不均匀与多级结构现象，前者与组分或结构的起伏有关，后者与多期式马氏体转变有关．本文还分析了偏光显微镜、ＤＩＣ、ＳＥＭ、ＳＥＡＭ等观察方法中电畴的成像特征．

弛豫型铁电单晶Pb(Mg(1/3)Nb_(2/3))O_(3)-PbTiO_(3)电畴结构与铁电性能的关系

弛豫型铁电单晶Pb(Mg1 /3 Nb2 /3)O3_PbTiO3[PMNT]的电畴结构与铁电性能随组分变化 :由纯PMN至PMNT6 7/33晶体 ,晶体铁电性能由弛豫型铁电体向正常铁电体方向转变 ,电畴结构由微畴—不规则宏畴—规则宏畴演化 ,压电性能逐步增强 .电畴类型的转化也可由电场和温度诱导 .三方相PMNT晶体 (0 0 1)与 (111)切型晶片在极化后仍维持多畴态 ,它们在压电性能上的差异可从畴壁运动与两相共存方面获得解释 .尽管受晶体组分与结构起伏的影响 ,电畴分布的不均匀性在退火与极化前后始终存在 ,但晶体生长后期的退火处理与极化条件的改善对调节电畴结构、提高压电性能仍有一定效应 .

利用SEAM技术对电畴结构的直接观察

利用国际上近几年发展起来的扫描电子声显微镜技术，对ＢａＴｉＯ３铁电陶瓷材料及其单晶进行电子声成像实验。结果表明：利用扫描电子声显微镜技术在不对样品表面进行任何处理的情况下，可以直接对电畴结构进行观察。实验结果显示出扫描电子声显微成像技术在对铁电材料的电畴结构微观分析中的优越性，为在微观领域分析研究铁电材料的电畴结构提供了一种新的观察与分析手段。

Al_2O_3基陶瓷复合材料中LiTaO_3颗粒内的电畴结构

采用TEM技术对Al2O3基陶瓷复合材料中LiTaO3颗粒内的电畴结构进行了研究。结果表明:LiTaO3单晶中不可能形成的90°畴出现在LiTaO3/Al2O3(简称LTA)陶瓷复合材料中的LiTaO3晶粒内,且以其为主,这对于六方结构的LiaO3来说,是一个新的发现。采用不同烧结方法制备的LTA陶瓷复合材料中LiTaO3晶粒内的电畴结构有很大差别。1500℃热压烧结,LTA陶瓷复合材料中LiTaO3晶粒内的电畴结构主要为高密度的薄片状90°畴以及箭尾型90°畴;200 MPa冷等静压成型后经1300℃无压烧结,LTA中LiTaO3晶粒内除了薄片状与箭尾型的90°畴结构外,还形成了尖劈状与板条状的90°畴结构;1 300℃热压烧结,LTA中LiTaO3晶粒内的电畴结构大多为板条状的90°畴,另外还有少量尖劈状的90°畴。LiTaO3晶粒内部电畴结构的不同与LiTaO3晶粒受周围Al2O3基体晶粒的应力作用、LiTaO3的化学组成配比以及薄膜试样制备过程中的机械研磨抛光有关。

电场下[001]_(cub)切型弛豫铁电单晶PMN-32PT电畴的极化反转

为研究弛豫铁电单晶PMN-32PT电畴在电场下的极化反转,利用偏光显微镜研究了电场下[001]_(cub)切型PMN-32PT单晶电畴组态的变化,建立了极化反转模型.在[001]_(cub)单晶切片中,当电场强度达到4kV/cm时,电畴开始极化反转,出现平行于电场方向的畴壁,畴壁沿垂直自身的方向运动,畴壁的运动实际是畴的横向扩张;当电场强度增至6kV/cm时,畴壁消失,又出现垂直于电场方向的新畴壁;而电场强度进一步增至10kV/cm时,新畴壁也消失,且电畴消光,这表明多畴已单畴化.

Ba_(1-x)Sr_xTiO_3陶瓷电畴的压电响应力显微研究

采用常规固相反应法制备了Ba1-xSrxTiO3(x=0.7,0.4,0.1)陶瓷,利用扫描力显微镜的压电响应模式得到了压电响应像,并观察到了外加直流电压时的电畴诱导和极化反转.在10V电压下(样品厚90μm,下同),室温时顺电体Ba0.6Sr0.4TiO3中诱导出了铁电畴,而顺电体Ba0.3Sr0.7TiO3中并未诱导出铁电畴.12V和-12V电压下,Ba0.9Sr0.1TiO3中的电畴发生了明显的极化反转.对x=0.4、0.1的样品使用透射电子显微镜进行观察,发现室温下前者无电畴,进一步验证了压电响应图像的结果;后者有电畴,且为鱼刺状的畴结构.同时对顺电相Ba1-xSrxTiO3材料中非线性介电特性的起源进行了探讨。

电场对[100]_(cub)切型PMN-PT单晶电畴组态的影响

采用偏光显微镜观察了电场作用下[100]cub切型PMN-PT弛豫铁电单晶电畴组态的变化.结果表明:在正向电场作用下,当电场强度超过2.45 kV/cm时,平行于电场方向小畴条带慢慢消失,当电场强度升高到7.15 kV/cm时,原畴壁逐渐消失,在接近电极附近试样上优先出现了垂直于电场方向的新电畴;在反向电场作用下,电场强度超过2.05 kV/cm时,电畴条带沿电场方向扩展,当电场强度升到7.15 kV/cm时,平行于电场方向电畴消失,而出现许多垂直于电场方向电畴;在交流电场驱动下,电畴以低于50 Hz的频率做周期性振动.

由上下电极覆盖的铁电薄膜中最小180度电畴尺寸

在较低的电压下,铁电畴发生反转的性能对于研发高密度铁电存储器是至关重要的.为了实现高密度存储,铁电畴必须做得愈小愈好.然而,当外加电场撤去后,很小的铁电畴是不稳定的,会发生缩小,直致消失,导致存储的信息消失.为解决此问题,发展了一种通用的方法用于决定避免反向反转的铁电畴的尺寸.做为一个例子,确定了由上下电极覆盖的铁电薄膜中最小180度电畴尺寸.该研究可以用于许多相似的问题.

铁电陶瓷中的电畴及其翻转对断裂韧性的影响

铁电陶瓷因其优良的物理性能而具有广泛的应用前景,本文详细介绍了铁电陶瓷中普遍存在的电畴结构,并简要介绍了电畴结构的不同观测方法和测试技术的优缺点,系统描述了电畴翻转在电场和机械作用下的一般规律及其对铁电陶瓷断裂韧性的影响。

射频磁控溅射制备(Pb,La)TiO_3薄膜的结晶性能与铁电畴初步研究

采用射频磁控溅射技术在Pt/Ti/SiO2/Si衬底制备了(Pb,La)TiO3(简记为PLT)铁电薄膜。利用XRD对PLT薄膜的结晶性能进行了研究。实验结果表明,在一定的制备工艺条件下,可以制备出完全钙钛相的PLT铁电薄膜。PLT铁电薄膜的结晶性能与溅射的工作气压、氧氩比、退火温度等关系密切;PFM表明PLT薄膜的电畴具有180°结构。

近化学计量比LiNbO_3晶体电畴结构观察和机理探讨

采用双坩埚提拉法(DCCZ)生长了各种不同成分的近化学计量比LiNbO3晶体,并用腐蚀法观察了其电畴结构.结果表明,化学成分对未经极化处理晶体的电畴结构起决定性作用,当Li2O含量处于49.4mol%附近时,晶体z面电畴呈现特殊的三次对称反畴;当晶体中Li2O含量为49.7mol%时,晶体为完全单畴.本文对其形成机理进行了探讨,认为在由顺电相向铁电相转变时,局部铁电畴的极性方向与该处沿z轴方向的温度梯度正负密切相关,z轴生长晶体时,由于相变发生所处位置离生长界面的距离受LiNbO3晶体计量比影响,所处温场固有温梯也随之不同,在此基础上解释了不同成分晶体的电畴结构形成原因.最后讨论了控制铁电畴结构的工艺措施.

铁电材料表面电畴结构的压电力显微镜表征研究进展

铁电材料是一类应用广泛的功能材料,常用于电子、光学和精密机电等领域,未来有望用于高密度非易失性存储器和多功能纳米器件中。铁电材料的应用源于其具有自发极化电畴且可通过施加电场实现内部电畴的转向,因此对铁电畴及其极化翻转的理解和认知对于实际器件的设计与应用至关重要。压电力显微镜(PFM)方法是一种表面检测技术,基于极化和机电行为之间的强耦合作用,可直接反映铁电材料电畴结构的微观特征,用于探测纳米级压电和铁电特性。本文总结了使用压电力显微镜研究铁电材料表面电畴的最新成果与进展。首先,简要介绍了PFM技术的成像机制和分析方法;随后,展示了PFM技术在铁电畴结构以及电畴局部动力学中的相关研究,包括铁电体表面电畴结构的表征与识别、电畴的热稳定性、铁电表面屏蔽、电畴的形核、畴壁运动、电畴弛豫、电畴中缺陷的作用等;最后,指出了PFM研究铁电材料的发展趋势,包括铁电存储的应用与规律研究、新型铁电材料的优化设计、将PFM与其他技术结合对铁电体的深入探究和PFM技术的精细化发展对探索纳米压电和铁电的影响等方面。

升温对[100]_(cub)弛豫铁电PMN-32PT单晶电畴组态演变的影响

采用热台偏光显微镜观察以ACRT+Bridgman法获得、经过金相抛光处理的弛豫铁电PMN-32PT单晶[100]cub切型电畴组态,考察了未退火状态下[100]cub切型单晶的消光行为及连续升温对本征电畴与由抛光机械应力诱导非本征电畴组态的影响。结果表明,在升温过程中,PMN-32PT单晶非本征电畴在三方-四方铁电相变后消失;本征电畴组态的变化表现为两个阶段,第一阶段畴先细化后宽化,第二阶段进行铁电-顺电相变,相变过程缓慢,持续范围为168～177℃,且与三方-四方相变出现次序相反。