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基本信息

项目名称:
人工复合铁电多层膜的创新研究
小类:
能源化工
简介:
人工复合薄膜可以改进材料的性能甚至获得单一材料不具有的新性能。由于聚合物的组分繁多,结构多样化,复合功能材料更具有花样繁多的特点,预期从中可以发掘出更多的铁电材料,从而开拓铁电体物理学的研究领域,并开发新的应用前景。研究人工复合薄膜的目的之一就是要提高薄膜材料的功能。从已经获得的研究成果来看,多层膜结构已经有效地提高了材料的多种性质。
详细介绍:
传统的多层铁电薄膜,不同材料之间是垂直于极化方向进行复合的,由于铁电薄膜的厚度一般只在数十纳米到几微米之间,相邻异质界面间的分子扩散运动,尤其是在高温环境下(热释电材料的工作温区为铁电材料的相变点附近)离子扩散运动加剧,将会破坏多层膜的功能。针对这一情况,我们设计了一种新的模型,将多种不同的铁电材料平行于极化方向进行复合,由于薄膜的长度要远远大于薄膜的厚度,这样某种程度上便可以克服传统多层膜的异质结构界面存在的问题,极大地增强铁电复合薄膜器件的工作稳定性。同时在新的模型中通过改变多种复合材料的相变温度、极化大小及复合方式,可以预见将产生很多新的特性。这种设计的复合薄膜也许能够成为通常使用的多层膜的一种选择。

作品专业信息

撰写目的和基本思路

目的:人工复合薄膜可以改进材料的性能甚至获得单一材料不具有的新性能,开发人工复合薄膜的更多的优良特性,解决多层膜的异质结构界面问题,提高人工铁电复合薄膜器件的工作稳定性。 基本思路: 提出新型的复合铁电薄膜理论模型,在GLD唯象理论的框架下,研究复合铁电薄膜的新特性,探讨提高铁电薄膜器件的工作稳定性及热释电性能的理论途径,通过详尽的数值计算和讨论为依据,为实际应用研究提供理论依据。

科学性、先进性及独特之处

科学性:传统的多层铁电薄膜,不同材料之间垂直于极化方向进行复合,但铁电薄膜的厚度一般在数十纳米到几微米之间,相邻异质界面间的分子扩散运动,尤其是在高温环境下分子扩散运动加剧,会破坏多层膜的功能。先进性:由于薄膜的长度要远大于薄膜的厚度,这样某种程度上可以克服传统多层膜的异质结构界面存在的问题,极大地增强铁电复合薄膜器件的工作稳定性。独特性:设计新模型中,将多种不同的铁电材料平行于极化方向进行复合。

应用价值和现实意义

我们设计了一种新的模型,将多种不同的铁电材料平行于极化方向进行复合,由于薄膜的长度要远远大于薄膜的厚度,这样某种程度上便可以克服传统多层膜的异质结构界面存在的问题,极大地增强铁电复合薄膜器件的工作稳定性。同时在新的模型中通过改变多种复合材料的相变温度、极化大小及复合方式,可以预见将产生很多新的特性。这种设计的复合薄膜也许能够成为通常使用的多层膜的一种选择。

学术论文摘要

建立铁电复合薄膜的理论模型,三种具有不同相变温度的铁电材料平行于于极化方向进行复合。在 Ginzburg-Landau-Devonshire (GLD)唯象理论的框架下,引入局域分布函数描述不同材料间过渡层的性质,通过改变三种不同铁电材料的相变温度、相对厚度以及复合方式,计算了铁电多层膜内部的极化强度分布、相变温度及热释电系数。研究表明具有不同相变温度的铁电材料间的复合方式对铁电薄膜的极化和热释电性质有着重要的影响,出现了很多传统复合薄膜没有的新特性,其中三种不同材料复合而成的铁电薄膜随着温度的变化出现了两个热释电峰,这一特性在提高热释电器件的工作稳定性方面具有重要的现实意义。

获奖情况

1.《人工复合铁电薄膜的极化性质研究》,吉林师范大学学报(自然科学版),2010年第4期。 2.《人工复合铁电薄膜的相变性质研究》,沈阳化工大学学报,2011年第3期。 3.《人工复合铁电多层膜热释电性质的理论研究》,河北大学学报,待发表。 4.《不同复合方式下的人工复合铁电薄膜的极化特性研究》,文章撰写完毕,待提交。

鉴定结果

参考文献

参考文献:[1]张旭,赵庆勋,李晓红等. Ni-Al 底电极对偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物铁电薄膜性能的影响.河北大学学报(自然科学版), 2010,10(1): 19-22. [2]王悦辉, 庄志强. 铁电薄膜材料的研究进展. 现代技术陶瓷, 2002, 4: 19–22 [3]Wu Jiagang, Zhu Jiliang, Xiao Dingquan, et al. Double Hysteresis Loop in (Pb0.90La0.10)Ti0.975O3/Pb(Zr0.20Ti0.80)O3. Appl.Phys.Lett., 2007, 91: 212905-1–212905-3. [4]Wang Jie, Zhang Tongyi. Influence of Depolarization Field on Polarization States in Epitaxial Ferroelectric Thin Films with Nonequally Biaxial Misfit Strains. Phys. Rev.B., 2008, 77: 014404-1–014104-7. [5]Akai D, Yokawa M, yashi K H, et al. Ferroelectric properties of sol-gel delivered epitaxial Pb(Zrx,Ti1−x)O3 thin films on Si using epitaxial γ-Al2O3 Layers. Appl.Phys. Lett., 2005, 86: 202906–202908. [6]Chen Hui, Lü Tianquan, Chen Chuanwen, et al. Theoretical studies on the pyroelectric properties of two component composite ferroelectric thin film. Phys. Lett. A, 2006, 360: 357–361.

同类课题研究水平概述

实验方面: 关于铁电多层复合薄膜的实验研究非常丰富。采用溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、金属有机物分解法等实验上已经成功地制备出很多高质量铁电多层膜。到目前为止,已经能够制备出的多层梯度铁电薄膜主要有:BaxSr1-xTiO3 , Pb1-xCaxTiO3, (Pb,La)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3, Pb1-3y/2(Zr0.4Ti0.6)O3, PbNb1-xTiO3, (Ba0.8Sr0.2)(Ti1-xZrx)O3。研究表明这些多层铁电膜具有强的介电常数-电场依赖性,快的极化响应速度,高击穿场强,高的可调性,高热释电系数等一系列独特的优良性能,可广泛应用于微电子学、光电子学和微机械学等领域。 理论方面: 目前,关于铁电薄膜的理论研究主要采用两种方法:一是微观的横场伊辛模型,另一个是唯象的朗道-金兹堡格理论。采用横场伊辛模型已经广泛地应用于铁电多层膜、铁电超晶格、铁电双层结构的物理特性研究中。运用朗道-金兹堡格理论研究铁电多层膜时,通过引入分布函数描述异质结构界面的过渡层、在自由能表达式中将不同材料的参数值进行平均等方法也获得了丰富的理论研究结果。 但目前实验和理论方面的研究仍主要集中于垂直于极化方向复合而成的铁电多层膜中,关于平行极化方向复合而成的铁电多层膜的研究还很少见。在此前研究中我们曾提出了平行于极化方向复合的铁电双层膜的理论模型,并取得了一定的研究成果。在此基础上,我们将这一理论模型进行新的改进,研究相变温度、极化大小及方向顺次改变的多层复合铁电膜,预期将产生更多更新的理论结果,为后期的实验研究提供理论参考依据。
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