《鐵電薄膜自身熱效應下的極化疲勞微缺陷機理研究》是謝超為項目負責人，寧波大學為依託單位的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鐵電薄膜自身熱效應下的極化疲勞微缺陷機理研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：謝超
- 依託單位：寧波大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在持續外加交變電場作用下，鐵電薄膜自身疇轉熱效應和焦耳熱效應共同導致的溫升，自熱效應與微缺陷行為之間的互動作用，以及熱失配內應力會強烈促進鐵電薄膜結構中氧空位與位錯等微缺陷的形成及其在界面的聚集。聚集後的缺陷通過局部退極化場強烈釘扎著鐵電疇壁的運動，導致出現極化疲勞現象。因為極化疲勞會對鐵電薄膜存儲器工作的可靠性造成嚴重損害，所以揭示它的溫度依賴微缺陷機制具有重要的科學意義。首先，本項目從鐵電薄膜結構在循環荷載作用下的自身熱效應入手，結合阻變效應、熱力電耦合及尺寸效應，對結構中氧空位形成、遷移、聚集及位錯形核過程進行解析模擬，確定微缺陷行為與自熱效應之間的互動作用機理；其次，運用應變核、廣義缺陷兩類位錯模型，模擬疇轉與缺陷之間互動干涉作用，確定缺陷聚集與極化強度下降之間的定量關聯；最後，通過實驗驗證手段完善解析模型，為控制鐵電薄膜結構中的微缺陷行為，預估和最佳化結構壽命提供定量科學依據。
結題摘要
因為極化疲勞會對鐵電薄膜存儲器工作的可靠性造成嚴重損害，所以揭示它的溫度依賴微缺陷機制具有重要的科學意義。基於此，本項目開展了下列研究：（1）提出了一個能描述耦合場中材料局部變形域的解析模型，計算了局部變形域的應變累積和內應力，分析了其對微結構演化的作用機理；（2）提出了能夠用於描述疇反轉過程的向錯四極子模型，建立了向錯模型與微缺陷演化和巨觀性能的關聯；（3）分析了壓電耦合、幾何尺寸、電疇及界面失配效應對鐵電薄膜界面微缺陷成核及增殖過程的作用機理，討論了上述效應對界面失效行為的影響；（4）研究了熱電耦合效應對體、界面斷裂作用機理，以及缺陷對智慧型結構性能的影響規律；（5）研究了幾種具備壓電/鐵電性能晶體的聲波傳播特性，為發展缺陷探測聲波技術奠定了基礎。研究發現：疇通過局部應力場能夠顯著地干涉位錯和微裂紋的演化行為，反過來位錯的出現亦能影響電疇反轉；向錯四極子模型能很好地模擬交變電場作用下的電疇快速反轉，疇反轉過程及形貌對於外載入荷和材料微結構有強烈依賴性；界面的晶格失配程度和疇壁能會顯著地導致界面位錯增殖，位錯密度會隨著薄膜厚度下降而降低，所形成的位錯主要集中分布在遠離疇壁的界面上；熱電耦合促進缺陷成核，而缺陷，尤其是裂紋，可顯著地降低等效電導率和熱導率；適當的材料匹配和幾何尺寸能有效地增強界面強度和智慧型結構的性能可靠性；具備壓電/鐵電特性的CTGS晶體可套用於缺陷探測聲波換能器。以上科學研究結果能夠定量地指導鐵電薄膜智慧型結構的設計和套用，提升結構的性能耐久性。
