納米鐵電材料Landau-Ginzburg自由能展開的機理分析和係數預報

《納米鐵電材料Landau-Ginzburg自由能展開的機理分析和係數預報》是依託中山大學，由劉玉嵐擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納米鐵電材料Landau-Ginzburg自由能展開的機理分析和係數預報
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉玉嵐
• 依託單位：中山大學

中文摘要

針對納米鐵電材料的Landau-Ginzburg自由能展開,本項研究擬開展挖掘其物理機理的系統研究工作。在已知原子之間相互作用勢和原子排列的晶格結構的基礎上，我們將利用統計力學的方法建立鐵電材料微巨觀自由能之間的聯繫，揭示展開式中的梯度項存在的原因和主要影響因素。並建立梯度項等展開係數的微觀計算方法和公式。使著名的Landau-Ginzburg唯象理論能夠建立在嚴格的物理基礎之上。我們也擬依據理論和第一性原理的關於自由能展開機理的仿真結果製備不同尺寸的不同鐵電材料試樣，採用合適的方法測定自由能的展開性能，以及展開係數，同理論結果進行比較。可以預見，如果該項研究成功進行，將能夠有助於解決單項多重鐵性材料的電磁耦合機理等許多相關性能。對於納米鐵電材料來說，不協調應力的普遍存在和重要影響也是我們本項研究的重要任務。

結題摘要

隨著現代微、納信息技術的迅猛發展，光電器件微型化的需求引領鐵電材料研究朝著微、納尺度及高集成化方向發展。由於鐵電納米線、納米薄膜是製備鐵電微、納器件的關鍵材料，因而深入研究其相關特性顯得非常重要。目前，研究和預報納米鐵電材料鐵電性能的主要方法有，基於第一性原理仿真的微觀模型和基於Landau-Ginzburg自由能展開。後一種方法也被稱為唯象方法並已得到了廣泛的套用。Landau-Ginzburg自由能展開告訴我們，系統的自由能不僅依賴於自發極化率，也依賴於自發極化率的空間導數或變化率。然而，人們一直未能理解為什麼自發極化率不均勻會導致系統自由能的增加，也一直未能解決如何確定自由能展開式中的係數。這些問題成為目前唯象模型套用中最為制約的因素。在理論方面，本項目首先研究了Landau-Ginzburg自由能展開中梯度項係數的確定，建立了預報梯度項係數的微觀統計模型。通過利用多體統計力學裡面的密度泛函方法，在給定的相互作用勢函式的基礎上，我們從統計的微觀層次上推導出了Landau-Ginzburg自由能展開的表達式，並得到了鐵電材料裡面不同點自發極化率的關聯函式。另一方面，通過對關聯函式在付氏空間做小參數展開的方法，建立起了Landau-Ginzburg自由能展開中梯度項係數與自發極化率關聯函式的微觀統計模型。為了得到定量的結果，我們再進一步依據相變理論里的普適性歸一化的假設，通過重整化群理論里關於臨界指數的一些結論，得到了Landau-Ginzburg自由能展開中梯度項係數與相變溫度的臨界指數關係。同時，我們通過第一性原理計算研究了鐵電納米體系的外推長度，研究發現外推長度的正負關係其實與鐵電材料的最外層原子的化學環境有很大的關係。實驗方面，我們搭建了完整的實驗平台，利用多種方法，製備了不同尺寸的鐵電薄膜，PbTiO3和BiFeO3納米線（管）等納米結構。並運用原子力顯微鏡、TEM、SEM等方法對以上工藝製備出來的納米結構進行分析和測量，驗證了理論預測的正確性。