納尺度鐵電材料中撓曲電效應的相場法研究

《納尺度鐵電材料中撓曲電效應的相場法研究》是依託北京套用物理與計算數學研究所，由陳海濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：納尺度鐵電材料中撓曲電效應的相場法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：陳海濤
• 依託單位：北京套用物理與計算數學研究所

項目摘要

撓曲電效應描述了應變梯度產生電極化的物理現象。因為其所具有的尺寸相關性，撓曲電效應對納尺度鐵電材料性質的影響將非常顯著。本項目擬以納尺度鐵電材料為研究對象，基於相場方法研究撓曲電效應對鐵電材料等效壓電性能以及極化反轉行為的影響。首先，在充分考慮靜電場、極化梯度場、電致伸縮效應、撓曲電效應等影響因素的基礎上，針對單相鐵電材料構建相應的相場模型；然後，引入彈性非均勻性以及介電非均勻性，使模型適用於兩相複合材料問題，進而研究材料尺寸、組分比等因素對複合材料等效壓電性能的影響；最後，基於建立的模型結合原子力探針施加的力學邊界條件研究外延生長鐵電薄膜中力學手段180度反轉電極化的機制。當今社會，設備小型化是一個大的發展趨勢，而撓曲電效應的影響隨著材料尺寸減小將變得越來越重要。本項目的研究工作將有助於深入理解撓曲電效應的作用機理，並為最佳化材料性能提供理論依據。

結題摘要

撓曲電效應描述了鐵電/介電材料中應變梯度產生電極化的物理現象。相對於傳統的壓電效應，撓曲電效應具有兩個明顯優勢：一個是的普遍性；另外一個是尺寸相關性。一方面，應變梯度的存在破壞了晶體結構的對稱性，無論中心對稱結構或者非中心對稱結構晶體都存在撓曲電效應；另一方面，應變梯度與材料的特徵尺寸成反比例關係，材料尺寸越小應變梯度越大。 本項目中，我們發展了一種研究納尺度鐵電材料中撓曲電效應的相場模型。這一模型系統考慮了結構以及彈性非均勻性對撓曲電效應及等效壓電效應的影響。基於建立的相場模型，研究了兩相複合材料的彈性非均勻性對應力場及電極化場空間分布的影響。計算結果表明，由於在兩相材料界面附近具有較高的應變梯度，相應的電極化場強度也更高。同時，研究結果也揭示了撓曲電效應明顯的尺寸相關性，即材料尺寸越小，等效壓電效應越大。此外，通過將撓曲電效應引入到力-電-熱耦合效應中，我們研究了其對熱電效應的影響。數值模擬結果表明，撓曲電效應的存在將顯著影響疇壁附近的熱電耦合效應，而隨著疇壁厚度的減小，這一影響將更為顯著。 隨著社會對電子設備小型化要求越來越高，材料尺寸逐漸減小到納米尺度，撓曲電效應對力電耦合性能的影響將越發顯著。開展納尺度鐵電材料中的撓曲電效應研究，對進一步認識力電耦合效應產生機制、推動智慧型設備小型化發展具有重要意義。