《應變梯度對鐵電材料力電耦合性能的調控》是依託浙江大學，由王傑擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：應變梯度對鐵電材料力電耦合性能的調控
- 依託單位：浙江大學
- 項目負責人：王傑
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目將基於鐵電材料Landau-Devonshire非線性熱力學理論，考慮材料中應變梯度和電極化的耦合，提出能夠同時包含撓曲電效應和表面效應的新型相場模型。結合第一性原理計算和新型相場模型，建立微納米尺度下鐵電材料分層次的多尺度理論模型。採用多尺度的理論模型預測應變梯度、表面效應和晶體缺陷對鐵電材料表觀壓電係數、介電常數和彈性常數的調控作用。研究應變梯度和晶體缺陷對鐵電材料中新疇形核與長大以及疇壁運動的影響。探討撓曲電效應和表面效應與材料微觀疇結構及巨觀性能之間的內在關聯。基於撓曲電效應、表面效應以及晶體缺陷調控的基本原理，針對含有不同晶體缺陷的微納米鐵電材料，設計相應的表面邊界條件和應變梯度模式，最佳化疇結構的空間分布，以提高材料力學、電學及多場耦合性能。
結題摘要
撓曲電效應是指應變梯度和電極化的線性耦合，可被用來增強壓電材料的壓電效應，或者在非壓電材料中實現壓電效應。對塊體材料來說，撓曲電效應一般很小，相對壓電效應甚至可以忽略不計。對於微納米尺度下的材料，應變梯度可以產生與壓電效應相匹配甚至更大的電極化，因此撓曲電效應不能忽略。本項目基於非線性熱力學理論，考慮極化與應變梯度、應變與極化梯度之間的耦合，建立了包含撓曲電效應的鐵電相場模型。採用第一性原理計算和相場模擬，研究了應變梯度、應變、晶體缺陷和表界/面效應對鐵電材料的鐵電、壓電、磁電、電熱等多場耦合特性的影響，探討了材料性能改變的內在微結構機理。本項目取得主要成果為： （1）建立了基於等幾何法的包含撓曲電效應的鐵電相場模型，研究了撓曲電效應對鐵電材料的極化分布和巨觀特性的影響，發現撓曲電效應在鐵電材料中會產生附加的內電場，從而使鐵電疇的數目增多，同時使鐵電材料的電滯回線會產生偏移。對鐵電納米點來說，撓曲電效應會誘導出面外極化，導致極化渦旋翻轉的驕頑場增大。此外，發現不同的應變梯度模式，對微觀疇結構、電滯回線等的影響有很大的不同。這些結果為理解不同應變梯度對鐵電材料性能調控提供了微觀的機理解釋。 （2）通過非局部的熱力學理論分析，得到了壓電/介電超晶格中極化分布的解析表達式，發現在超晶格界面存在很強的壓電和撓曲電耦合，從而導致壓電係數的增強。通過最佳化設計壓電/介電超晶格的層厚比，得到了通過撓曲電效應在壓電/介電超晶格中增強壓電效應的新方法。此外，還發現撓曲電效應會導致納米材料的力電耦合特性以及彈性存在很強的尺寸依賴性。 （3）採用第一原理計算，研究了應變、晶體缺陷和表面效應對鐵電材料的鐵電、磁電、電熱等多場耦合特性的影響； 發現氧空位和位錯等晶體缺陷在鐵電材料中會誘導出磁性；發現應變通過與其它晶格畸變的耦合，在非鐵電超晶格材料中誘導出非本徵鐵電性，為應變調控新型鐵電材料的多場耦合性能提供了理論依據。 基於本項目的研究成果在Nano Letters, JMPS，Acta Mater, PRB, APL等期刊上發表SCI收錄論文26篇 ，已培養碩士畢業生4名，博士畢業生1名，2人次獲得研究生國家獎學金, 1人獲得浙江省優秀博士畢業研究生。
