《彈性多疇外延鐵電薄膜的最佳化設計和可控制備》是依託山東大學，由歐陽俊擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：彈性多疇外延鐵電薄膜的最佳化設計和可控制備
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：歐陽俊
- 依託單位：山東大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
規則有序的彈性多疇結構是鐵電薄膜材料的固有微觀結構特性，是在受基體束縛條件下鐵電相變的自然產物。每一單疇內部具有均勻劃一的晶體結構和取決於材料本身的本徵物理性能，而通過外場下疇壁移動發生的疇與疇之間的相互轉化，可以貢獻多種非本徵的物理效應（應變、電荷、溫度變化等），這些效應的大小可以和本徵物理效應相比甚至更大。對這些非本徵物理性能的控制和利用，可以極大地擴展鐵電薄膜材料的套用範圍。本項目針對如何最佳化及利用鐵電薄膜非本徵物理性能的技術挑戰，用彈性疇理論結合應變工程方法設計鐵電薄膜中的多疇結構，用射頻磁控濺射作為主要實驗手段，製備具有高移動性疇壁的多疇外延鐵電薄膜材料，並利用多種測試方法對多疇薄膜進行表征，以最終實現充分、穩定和可逆的非本徵物理性能。本項目具有重要的科學和實用價值，將促進科學界對於鐵電薄膜材料物理性能的深入理解，以及擴大其在感測器材料領域的套用。
結題摘要
本項目針對如何最佳化及利用鐵電薄膜非本徵物理性能的技術挑戰，用彈性疇理論結合應變工程和界面工程方法，以射頻磁控濺射作為主要實驗手段，設計製備了單疇和多疇外延鐵電薄膜異質結構。利用多種測試方法手段對單疇和多疇薄膜進行了表征，包括用XRD、掃描電鏡、透射電鏡、光學顯微鏡、掃描探針顯微鏡等手段進行的微觀結構表征，以及鐵電綜合測試儀、LCR表、阻抗分析儀、雷射都卜勒振動測量儀等儀器進行的電學和電機械性能測試。在薄膜設計的理論研究方面，我們研究了鐵酸鉍薄膜中多疇比例隨外延應變的變化，給出了“應變致穩”的四方相含量隨有效基體晶格常數的變化關係，以及在同一基體上隨薄膜厚度變化時，在位錯和多疇結構兩種應力鬆弛方式的共同作用下，多疇結構穩定性的演變及其比例的變化 (Scripta Materialia, 2012)。通過這一工作，我們打下了進一步最佳化設計彈性多疇鐵電薄膜的理論基礎。在多疇結構的非本徵效應方面，首先，我們系統地完成了薄膜本徵壓電性能的理論研究工作，在本徵縱向壓電係數d33的定量研究方面取得了重要突破，獲得其解析表達式 （J. of Phys. D: Appl. Phys., 2013）。在此基礎上，我們研究了疇壁移動對於鐵電薄膜介電和壓電性能的貢獻，量化了疇壁移動導致的非本徵壓電效應和介電效應，獲得了多疇薄膜壓電係數和介電係數的解析解（Journal of Advanced Ceramics, 2013）。在多疇鐵電薄膜的製備方面，我們使用同軸濺射與離軸濺射相結合的鍍膜方法, 以及導電氧化物電極技術，通過對濺射功率和冷卻速率等核心工藝參數的調控，成功地製備了鈦酸鋇同相多疇外延薄膜；通過調節薄膜厚度以及生長溫度等核心工藝參數，成功地製備出鐵酸鉍異相多疇外延薄膜。此外還研究了多疇鐵電和鐵磁納米複合材料，鈦酸鋇單疇薄膜的高溫製備和性能，鈦酸鋇、鐵酸鉍薄膜的中低溫製備，摻雜、界面和應變對薄膜性能的調製作用等相關內容。主要結果已經發表在SCI期刊 Acta Mater. (2015), Sci. & Tech. of Adv. Mater.(2012, 2014), Appl. Surf. Sci. (2013), J. Alloy Compd. (2013), Phys. Status Solidi A (2014), Thin Solid Films (2012)。
