铁电薄膜相变性质的横向尺寸效应

论文摘要

铁电薄膜作为一种重要的功能材料,因具有压电性、铁电性、热释电性和高介电系数等优良特性,受到人们的广泛关注。目前,铁电动态随机存取存储器的存储密度主要是由每个单元内电容的面积所决定的。因此,深入探讨电容横向尺寸(或面积)的变化对铁电薄膜性质的影响成为当前的热点问题。此外,杂质、缺陷以及表面和界面应力等因素是在铁电薄膜制备过程中不可避免的,它们会造成薄膜结构的局部差别,并在薄膜的表面或界面附近形成结构过渡区。结构过渡区会对铁电薄膜的性质产生较大的影响,使其物理性质不同于相应的体材料。因此,本文基于横场Ising模型,利用费米型格林函数方法研究了薄膜尺寸(横向尺寸和厚度)和横向结构过渡区对有限尺寸铁电薄膜相变、介电和热释电性质的影响。本文建立了含有结构过渡区有限尺寸铁电薄膜的理论模型,引入最近邻赝自旋二体相互作用的分布函数来表征薄膜结构的不均匀性,并利用费米型格林函数计算了二级相变铁电薄膜的平均极化强度和相变温度,详细地讨论了薄膜尺寸和横向结构过渡区对其相变性质的影响。研究表明,横向结构过渡区仅影响薄膜的平均极化强度,而不影响其相变温度,扩大横向结构过渡区和削弱该区域内最近邻赝自旋二体相互作用不利于增大薄膜的平均极化强度。对于尺寸一定的二级相变铁电薄膜,增强薄膜中心区域的最近邻赝自旋二体相互作用不但可以增大薄膜的平均极化强度还可以提高其相变温度。此外,薄膜的平均极化强度和相变温度也与其横向尺寸和厚度有关。在薄膜中心区域最近邻赝自旋二体相互作用一定的情况下,二级相变铁电薄膜的平均极化强度和相变温度均随着薄膜横向尺寸和厚度的增大而提高。针对有限尺寸二级相变铁电薄膜,本文进一步研究了薄膜的介电和热释电性质。研究表明,横向结构过渡区对于有限尺寸二级相变铁电薄膜的介电和热释电性质也有显著的影响。扩大横向结构过渡区和削弱该区域内最近邻赝自旋二体相互作用是提高二级相变铁电薄膜极化率和热释电系数的有效途径。对于尺寸一定的二级相变铁电薄膜,增强薄膜中心区域的最近邻赝自旋二体相互作用不但可以使薄膜的介电峰和热释电峰向高温区方向移动,而且还可以减小其临界横向尺寸。当薄膜中心区域的最近邻赝自旋二体相互作用一定时,小尺寸薄膜的极化率和热释电系数受薄膜横向尺寸变化的影响较大。通过引入赝自旋四体相互作用,利用费米型格林函数还研究了薄膜尺寸和横向结构过渡区对一级相变铁电薄膜相变性质的影响。同时引入赝自旋二体和四体相互作用的分布函数来表征薄膜的结构变化。研究表明,薄膜能够发生一级相变主要源自赝自旋四体相互作用,且临界赝自旋四体相互作用会随着薄膜横向尺寸和厚度的增大而减弱。扩大横向结构过渡区和削弱该区域内赝自旋四体相互作用都可以降低薄膜的平均极化强度,而不影响其相变温度。薄膜尺寸和薄膜中心区域的赝自旋四体相互作用是影响一级相变铁电薄膜相变性质的重要因素。当薄膜中心区域的赝自旋四体相互作用一定时,薄膜的平均极化强度和相变温度均随着薄膜横向尺寸和厚度的增大而提高。对于尺寸一定的一级相变铁电薄膜,增强薄膜中心区域的赝自旋四体相互作用可以增大薄膜的平均极化强度并提高其相变温度。对于有限尺寸一级相变铁电薄膜,本文还进一步研究了薄膜的介电和热释电性质,并详细地讨论了横向结构过渡区、薄膜尺寸和赝自旋四体相互作用对于薄膜极化率和热释电系数的影响。研究表明,扩大横向结构过渡区和削弱该区域内赝自旋四体相互作用均可提高一级相变铁电薄膜的极化率和热释电系数。而且,有限尺寸一级相变铁电薄膜的介电和热释电性质还与薄膜尺寸和薄膜中心区域的赝自旋四体相互作用有关。当薄膜的尺寸一定时,增强薄膜中心区域的赝自旋四体相互作用可以使薄膜的介电峰和热释电峰向高温区方向移动。当薄膜中心区域的赝自旋四体相互作用一定时,薄膜的介电峰和热释电峰均随着薄膜横向尺寸和厚度的增大而向高温区方向移动,且增大薄膜的厚度也会减小其临界横向尺寸。本文的研究成果不仅丰富了铁电薄膜的理论研究内容,而且在探索器件小型化和改良器件性能方面具有一定的指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 铁电材料概述
• 1.2.1 铁电体
• 1.2.2 铁电薄膜
• 1.3 研究方法及现状
• 1.3.1 薄膜制备方法
• 1.3.2 理论研究方法
• 1.3.3 国内外研究现状
• 1.4 本论文主要研究内容
• 第2章 横向尺寸对二级相变铁电薄膜相变性质的影响
• 2.1 引言
• 2.2 模型与理论
• 2.2.1 有限尺寸铁电薄膜的理论模型
• 2.2.2 极化强度和相变温度表达式
• 2.2.3 费米子算符和drone 费米子算符等价性证明
• 2.3 平均极化强度的数值计算结果
• 2.3.1 平均极化强度随温度的变化关系
• 2.3.2 极化强度的空间分布
• 2.3.3 横向尺寸对平均极化强度的影响
• 1 对相变温度的影响'>2.4 横向尺寸和参数α₁对相变温度的影响
• 1 对相变温度的影响'>2.4.1 参数α₁对相变温度的影响
• 2.4.2 横向尺寸对相变温度的影响
• 2.5 横向尺寸和膜厚之间关系的相图
• 2.6 本章小结
• 第3章 有限尺寸二级相变铁电薄膜介电和热释电性质
• 3.1 引言
• 3.2 极化率和热释电系数的理论推导
• 3.3 温度和横向尺寸对平均极化率的影响
• 3.3.1 温度对平均极化率的影响
• 3.3.2 横向尺寸对平均极化率的影响
• 3.4 热释电系数随温度和横向尺寸的变化关系
• 3.4.1 热释电系数与温度之间的关系
• 3.4.2 热释电系数与横向尺寸之间的关系
• 3.5 横向结构过渡区对极化率和热释电系数空间分布的影响
• 3.6 本章小节
• 第4章 横向尺寸对一级相变铁电薄膜相变性质的影响
• 4.1 引言
• 4.2 极化强度和相变温度的理论推导
• 4.3 温度和横向结构过渡区对极化强度的影响
• 4.3.1 温度对平均极化强度的影响
• 4.3.2 横向结构过渡区对极化强度空间分布的影响
• 4.4 横向尺寸对铁电薄膜相变性质的影响
• 4.4.1 横向尺寸对平均极化强度的影响
• 4.4.2 横向尺寸对相变温度的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 有限尺寸一级相变铁电薄膜介电和热释电性质
• 5.1 极化率和热释电系数表达式
• 5.2 平均极化率和热释电系数随温度的变化关系
• 5.2.1 平均极化率与温度之间的关系
• 5.2.2 热释电系数与温度之间的关系
• 5.3 横向尺寸对平均极化率和热释电系数的影响
• 5.3.1 横向尺寸对平均极化率的影响
• 5.3.2 横向尺寸对热释电系数的影响
• 5.4 极化率和热释电系数的空间分布
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历