不同电学边界条件下外延铁电薄膜畴结构的演化

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本文采用基于金茨堡—朗道—德文希尔唯象理论的相场法,研究二维铁电薄膜畴结构的演化,并采用有限差分方法数值求解相场方程。首次提出了中间电学边界条件及其两类参数,并研究三种电学边界条件(中间电学边界条件、开路电学边界条件及短路电学边界条件)下铁电薄膜的畴结构及铁电性能。  结果显示,开路电学边界条件和短路电学边界条件下,薄膜畴结构有明显的尺寸效应。开路电学边界条件下,薄膜厚度较小时出现水平单畴结构;在临界厚度14nm处发生了水平单畴结构向多漩涡畴结构的转变;随厚度进一步增加,为了降低去极化电场能,薄膜仍为多漩涡畴结构。短路电学边界条件下,薄膜厚度较小时呈现垂直单畴结构;在临界厚度5.6nm处发生垂直单畴结构向180°多条纹畴结构的转变;随厚度进一步增加,同样为减少去极化电场能,薄膜为180°多条纹畴结构。在外电场下,三种不同厚度薄膜极化强度随电场的变化均为典型的电滞回线。  所提出的中间电学边界条件,可以描述电极对铁电薄膜表面电荷的补偿程度,特定情况下也可转化为已有的开路和短路电学边界条件。一类参数为零,表面电荷完全不补偿,对应开路电学边界条件;其值趋向无穷大,表面电荷完全补偿,对应短路电学边界条件。同一厚度薄膜,一类参数的值越大,表面电荷部分补偿的程度越大,去极化电场能减小得越多。当二类参数值一定时,不同厚度薄膜的表面电荷部分补偿程度相同。  本文采用最新提出的中间电学边界条件及其两类参数考虑表面电荷补偿对去极化电场能的影响,其优点在于能完整描述表面电荷完全不补偿、部分补偿、完全补偿三种情况,具有明确的物理意义。其避免了权重系数方法缺乏物理意义和电极屏蔽长度在物理意义上的不确定性,因而更具有理论和实际价值。
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