《多疇鐵電薄膜疇結構與鐵電性能的相場法研究》是依託廈門大學，由周志東擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：多疇鐵電薄膜疇結構與鐵電性能的相場法研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：周志東
- 依託單位：廈門大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
Pb(Zr1-xTix)O3（PZT）鐵電薄膜具有輕質、高介電和壓電性等優點，成為現代微電子工業的理想材料。但隨著材料厚度減小，鐵電材料的介電和壓電性能明顯降低，限制了鐵電薄膜的套用。本項目首先求解鐵電薄膜-彈性基體雙材料界面位錯的應力應變場，並結合Landau-Devonshire方程確定界面位錯生成的臨界厚度。針對不同厚度的薄膜，結合Cahn-Hilliard相分離和微結構演化相場方程構建PZT鐵電薄膜普適的相場分析方法。數值模擬不同條件下穩定的鐵電疇結構，系統建立鐵電薄膜的相圖，進而探討鐵電性能與成分、厚度、錯配應變和溫度的依賴關係。通過物理和化學的方法在不同基體上製備不同厚度的鐵電薄膜，採用各種實驗觀測和測試方法，分析薄膜的微結構、疇結構和鐵電性能，為理論和模擬提供驗證。目的在於闡明PZT鐵電薄膜疇結構和鐵電性能的影響因素，為PZT鐵電薄膜的設計和製備提供科學依據。
結題摘要
本課題自2012年1月至2015年12月，歷時4年，現已基本完成計畫內容。共培養研究生3名，發表論文12篇，其中SCI收錄5篇，EI收錄6篇。由於具有良好的介電和壓電效應，鐵電薄膜材料被廣泛套用到電子工業的各個領域。本項目主要採用相場法研究PZT鐵電薄膜內疇結構的形貌及其演化，研究鐵電薄膜表面屈曲及脫層屈曲等科學問題。本課題的主要進展如下: 為了更好的模擬實驗結果，對於外延鐵電薄膜，在薄膜表面我們提出了一種新的介電電學邊界條件，此邊界條件可退化為傳統的短路和開路電學邊界條件。在此三種電學邊界條件下，採用二維相場法研究了外延PZT鐵電薄膜中疇結構的形貌及其隨著厚度的演化，探討了渦旋疇結構與條帶疇結構與電學邊界條件、薄膜厚度等的相互關係；初步討論了渦旋疇結構與條帶疇結構的相互轉換條件和轉換方式，疇結構與鐵電薄膜鐵電性能的相互關係。研究了鐵電單晶的極化強度與薄膜厚度、溫度和錯配應變的相互關係，獲得了單晶外延鐵電薄膜相結構穩定性的溫度與尺寸效應。研究了軟基體上鐵電薄膜在薄膜內應力和外加預應變作用下的各種屈曲行為。採用攝動法和力學平衡關係獲得鐵電薄膜失穩的臨界薄膜內力、臨界波長和幅值。採用變分方法和系統的電焓表達式，推導了鐵電薄膜系統的力電耦合控制方程，套用系統電焓能量最小原理，分別獲得薄膜局部屈曲和脫層屈曲的幅值、臨界應變和波長的表達式，並且分別研究了軟彈性基體剛性支撐與滑動支撐下表面薄膜局部屈曲行為，進一步探討了軟彈性體基體粘性對表面薄膜屈曲與後屈曲的影響。採用慣性熵理論，研究了波在熱釋電雙材料界面折射和反射行為，首次在界面兩邊獲得了兩個新的表面波；進一步研究了考慮粘性的熱釋電材料中一般波的傳播和受熱衝擊作用的波的傳播。以上的研究工作對PZT外延鐵電薄膜的研究和設計，鐵電/壓電微電子器件的設計和製造及研究微電子器件中能量的傳播具有重要意義。
