1、鐵電材料的疇結(jié)構(gòu)演化和物理特性的相場(chǎng)方法模擬在科技日新月異的現(xiàn)代社會(huì)，具有多場(chǎng)耦合特性的先進(jìn)材料的發(fā) 展，對(duì)于材料科學(xué)的促進(jìn)作用越來越明顯。在鐵電材料中，這些耦合特 性包括電學(xué)-力學(xué)耦合（如壓電效應(yīng)和撓曲電效應(yīng)）、電學(xué)-熱學(xué)耦合 （如熱釋電效應(yīng)）、磁學(xué)-電學(xué)耦合、以及介電特性等等。特別是具有 應(yīng)變調(diào)制特性的鐵電薄膜、復(fù)合材料和多層膜結(jié)構(gòu)，更是擁有廣闊的 發(fā)展前景。而上述這些特性幾乎都與鐵電材料極化矢量的動(dòng)力學(xué)行為 有關(guān)，特別是極化矢量對(duì)于外部電場(chǎng)的響應(yīng)。計(jì)算材料學(xué)是材料研究 中的一種重要工具,它是借助材料的微觀結(jié)構(gòu)特性來模擬計(jì)算其宏觀 物理性質(zhì)的方法。在本文中，將利用熱力學(xué)計(jì)算方法以及相場(chǎng)方法

2、來 研究鐵電材料的相關(guān)性質(zhì)。首先，研究鐵酸鉍鐵電薄膜中的多疇翻轉(zhuǎn) 行為。本文構(gòu)建了適用于鐵酸鉍薄膜的相場(chǎng)模型，利用該模型模擬計(jì) 算電場(chǎng)誘發(fā)的極化矢量翻轉(zhuǎn)過程。計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了多疇翻轉(zhuǎn)路徑選擇 所遵循的能量最小化機(jī)制，揭示了鐵電多疇翻轉(zhuǎn)模式。結(jié)果表明，在菱 形相薄膜的三種翻轉(zhuǎn)路徑中，71路徑是多疇翻轉(zhuǎn)的首選路徑。并且 電場(chǎng)的方向、取值和變化率都會(huì)對(duì)多疇演化過程、以及系統(tǒng)達(dá)到平衡 狀態(tài)時(shí)的疇結(jié)構(gòu)造成影響。其次，利用鐵酸鉍的相場(chǎng)模型，研究了鐵電 薄膜厚度對(duì)多疇翻轉(zhuǎn)行為以及漏電流的影響。通過分析不同厚度薄膜 中各個(gè)路徑的翻轉(zhuǎn)速率，可以發(fā)現(xiàn)，71翻轉(zhuǎn)路徑依然是首選，但翻轉(zhuǎn) 速率卻因厚度而異。通過計(jì)算不同厚

3、度薄膜的電滯回線，可以得到薄 膜的矯頑場(chǎng)與厚度的非線性關(guān)系。結(jié)果表明，降低薄膜厚度，會(huì)增大誘 發(fā)極化矢量翻轉(zhuǎn)所需的外加電場(chǎng)，同時(shí)會(huì)降低多疇翻轉(zhuǎn)效率，使薄膜 完成多疇翻轉(zhuǎn)的時(shí)間變長(zhǎng)。再次，利用熱力學(xué)計(jì)算的方法，研究元素?fù)?雜對(duì)鈦酸鋇物理性質(zhì)的影響?；跓崃W(xué)理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文構(gòu)建 了鈣/鍶摻雜鈦酸鋇固溶體的熱力學(xué)勢(shì)函數(shù)。利用該勢(shì)函數(shù)，計(jì)算得到 了鈣/鍶摻雜鈦酸鋇固溶體的溫度-成分相圖，其中，鈣摻雜固溶體的 居里溫度和四方相極化矢量都不會(huì)受到摻雜的影響，但四方相-正交 相、正交相-菱形相轉(zhuǎn)變溫度會(huì)隨摻雜量增大而降低。本文進(jìn)一步分 析了元素?fù)诫s量對(duì)固溶體極化矢量、介電常數(shù)、以及應(yīng)變的影響。在 上述

4、熱力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,考慮外加應(yīng)力對(duì)材料電學(xué)特性和力學(xué)特性 的影響。結(jié)果表明，在恒溫情況下,應(yīng)力增大會(huì)引起相變，并且相變應(yīng) 力會(huì)隨摻雜量的增大而降低。經(jīng)過整理和總結(jié)上述熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果， 本文得到了鈣摻雜鈦酸鋇固溶體的溫度-應(yīng)力-成分三維相圖。最后， 通過將鈣摻雜固溶體的熱力學(xué)勢(shì)函數(shù)與相場(chǎng)計(jì)算方法相結(jié)合,本文得 到了固溶體從順電相到平衡態(tài)鐵電相的微觀鐵電疇結(jié)構(gòu)演化過程。對(duì) 比不同成分下的疇結(jié)構(gòu)可以直觀地得到鈣摻雜對(duì)固溶體顯微結(jié)構(gòu)的 影響。綜上所述，本文從多種不同的角度對(duì)鐵酸鉍材料和鈦酸鋇材料 進(jìn)行了系統(tǒng)地研究，利用相場(chǎng)方法，研究了鐵電薄膜的疇結(jié)構(gòu)演化過 程，分析了極化矢量的翻轉(zhuǎn)路徑,以及外加電場(chǎng)、薄膜厚度等因素對(duì)多 疇翻轉(zhuǎn)行為的影響。利用熱力學(xué)理論構(gòu)建了鈣/鍶摻雜鈦酸鋇固溶體 的熱力學(xué)勢(shì)函數(shù)，并得到了固溶體的溫度-成分相圖、壓力-成分相圖、 以及最終的溫度-壓力-成分三維相圖。得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合