鐵(tie)電材(cai)料的(de)尺(chi)寸(cun)效應和表面界面效應

鐵(tie)電材(cai)料的(de)研(yan)究現(xian)狀(zhuang)鐵(tie)電薄(bo)膜是(shi)壹類(lei)重(zhong)要(yao)的(de)薄(bo)膜材(cai)料,是(shi)目前(qian)高新技術研(yan)究的(de)前(qian)沿(yan)和熱點(dian)之壹。究其(qi)原因,可(ke)概括(kuo)為介電性(xing)、鐵(tie)電開關(guan)效應、壓(ya)電效(xiao)應、熱釋(shi)電效(xiao)應、電光(guang)效應、聲(sheng)光效(xiao)應、光折變(bian)效應和非(fei)線性(xing)光(guang)學效應等特點(dian),該材(cai)料既可(ke)以(yi)單獨(du)利用(yong)上(shang)述(shu)諸效(xiao)應制作不(bu)同的(de)功能(neng)器件(jian),也可(ke)以(yi)綜合利用(yong)兩(liang)個(ge)或兩(liang)個(ge)以(yi)上的(de)效(xiao)應,制作多(duo)功能(neng)器件(jian)、集成(cheng)器(qi)件(jian)或機敏(min)器(qi)件(jian),因此(ci),鐵(tie)電薄(bo)膜和集(ji)成(cheng)鐵(tie)電器(qi)件(jian)在世界(jie)範(fan)圍內引起了科(ke)技工作者(zhe)、產(chan)業部門(men)、甚至(zhi)政(zheng)府部(bu)門的(de)關(guan)註(zhu)。近(jin)幾年(nian)的(de)研(yan)究熱點(dian)如下(xia):2.1尺(chi)寸(cun)效應和表面界面效應近(jin)年來(lai),鐵(tie)電薄(bo)膜和以(yi)鐵(tie)電體(ti)為組元的(de)復(fu)合(he)型(xing)功能(neng)材(cai)料發(fa)展很快,促進(jin)了(le)對(dui)低維(wei)鐵(tie)電材(cai)料特(te)性(xing)的(de)理(li)論研(yan)究。人們(men)對(dui)鐵(tie)電薄(bo)膜研(yan)究的(de)高(gao)漲熱情(qing),其(qi)主要(yao)動(dong)力是(shi)鐵(tie)電薄(bo)膜在記(ji)憶(yi)器(qi)件(jian)上的(de)應用。理(li)論研(yan)究的(de)主要(yao)途(tu)徑(jing)有GLD的(de)唯(wei)象(xiang)理(li)論和(he)橫場Ising模型(xing)。主要(yao)探(tan)究尺(chi)寸(cun)效應和表面效應。隨著鐵(tie)電薄(bo)膜和鐵(tie)電超微粉的(de)發(fa)展,鐵(tie)電尺(chi)寸(cun)效應已成(cheng)為(wei)迫(po)切需要(yao)解決(jue)的(de)實(shi)際問(wen)題(ti)。對(dui)於(yu)集(ji)成(cheng)鐵(tie)電器(qi)件(jian)在有限尺(chi)寸(cun)下(xia)的(de)發(fa)展有重(zhong)要(yao)意義(yi)。實驗(yan)上已經證(zheng)實鐵(tie)電薄(bo)膜厚度(du)薄(bo)到壹定的(de)程(cheng)度鐵(tie)電性(xing)將消(xiao)失(shi),其(qi)中(zhong)的(de)物(wu)理(li)原因還(hai)不(bu)是(shi)很清楚(chu)。我們(men)知(zhi)道(dao)鐵(tie)電性(xing)的(de)產(chan)生是(shi)庫侖(lun)長(chang)程(cheng)作用(不像鐵(tie)磁體(ti)是(shi)短(duan)程(cheng)交換作用的(de)結果(guo)),尺(chi)寸(cun)太小,長(chang)程(cheng)有序將消(xiao)失(shi)。但(dan)是(shi)鐵(tie)電薄(bo)膜只(zhi)是(shi)在壹個(ge)方(fang)向上(shang)尺(chi)寸(cun)很小,在另(ling)外(wai)兩(liang)個(ge)方(fang)向上(shang)尺(chi)寸(cun)仍很大,可(ke)見(jian)鐵(tie)電性(xing)的(de)消(xiao)失(shi),薄(bo)膜表面的(de)影響(xiang)因素很(hen)大(da)。所以(yi)在薄(bo)膜等低維(wei)系(xi)統(tong)中(zhong)尺(chi)寸(cun)效應不可(ke)忽略,深(shen)入了解尺(chi)寸(cun)效應需要(yao)研(yan)究表面的(de)晶格結構(gou),偶極相互作用。薄(bo)膜表面處的(de)極(ji)化(hua)分布不連(lian)續(xu)形(xing)成(cheng)退(tui)極(ji)化(hua)場,對(dui)整個(ge)系(xi)統(tong)的(de)極(ji)化(hua)狀(zhuang)態(tai)產(chan)生影響(xiang),表面區(qu)域內長(chang)程(cheng)偶極作用與(yu)體(ti)內不同,將導(dao)致自發(fa)極化(hua)、相變(bian)溫度、極(ji)化(hua)率等隨膜厚度(du)而(er)變(bian)化(hua)。由於(yu)薄(bo)膜的(de)尺(chi)寸(cun)效應和表面效應,給理(li)論研(yan)究造成(cheng)了(le)很(hen)大(da)的(de)困難(nan),但(dan)也(ye)正是(shi)由於(yu)這(zhe)些(xie)效應使(shi)鐵(tie)電薄(bo)膜的(de)研(yan)究富有挑戰(zhan)性(xing),吸引了(le)大(da)量(liang)的(de)科(ke)學工作者(zhe)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)研(yan)究,尋(xun)求簡(jian)便而(er)合理(li)的(de)方(fang)法探(tan)究其(qi)中(zhong)的(de)物(wu)理(li)實質(zhi),並希(xi)望通(tong)過理(li)論研(yan)究,為實驗(yan)突破鐵(tie)電薄(bo)膜在尺(chi)寸(cun)上的(de)限制給予(yu)方(fang)向性(xing)指(zhi)導。1)外推長(chang)度的(de)引(yin)入Kretschme在均(jun)勻GLD三(san)維(wei)鐵(tie)電理(li)論的(de)基礎上引(yin)進了(le)“外(wai)推(tui)長(chang)度"的(de)概念(nian),並在GLD自由能(neng)的(de)表(biao)達(da)式中(zhong)引(yin)入了極(ji)化(hua)梯(ti)度(du)項(xiang)和壹個(ge)表面自由能(neng)項(xiang),即:

式中(zhong),δ為“外推(tui)長(chang)度"。這種研(yan)究方(fang)法得到了廣泛(fan)的(de)使(shi)用(yong)。Tilley和Zeks首先(xian)用(yong)此(ci)法研(yan)究了鐵(tie)電薄(bo)膜中(zhong)二(er)級(ji)相變(bian),Scoot等將此(ci)法推廣到壹級(ji)相變(bian),主要(yao)研(yan)究了鐵(tie)電薄(bo)膜自發(fa)極化(hua)的(de)分布、相變(bian)溫度、矯(jiao)頑電場以(yi)及介電常(chang)數(shu)等特性(xing)隨(sui)薄(bo)膜厚度(du)的(de)變(bian)化(hua)。但(dan)是(shi)用這種(zhong)方(fang)法在理(li)論計(ji)算之(zhi)前(qian),必須(xu)事先(xian)給定外推(tui)長(chang)度,這使(shi)有(you)“外推長(chang)度"這(zhe)壹概念(nian)所得(de)到結論(lun)的(de)可(ke)靠性(xing)讓(rang)人懷(huai)疑(yi)。現(xian)在已經有(you)壹些(xie)實驗(yan)不支持(chi)“外(wai)推長(chang)度"的(de)觀(guan)點(dian)。M.Kiyotoshi和K.Eguchi指出,壹個(ge)20nm厚的(de)外(wai)延(yan)型SrTiO3單晶薄(bo)膜,它的(de)介電常(chang)數(shu)是(shi)160,僅僅比(bi)厚度(du)是(shi)150nm的(de)膜的(de)介電常(chang)數(shu)小15%.Y.Watanabe等也指出,14nm厚的(de)BaTiO3薄(bo)膜呈(cheng)現(xian)相應體材(cai)料的(de)晶體對(dui)稱性(xing)。然而(er),仍有很(hen)多(duo)人用(yong)此(ci)觀(guan)點(dian)來處理(li)鐵(tie)電薄(bo)膜的(de)表(biao)面/界面效應。由於(yu)薄(bo)膜制備技(ji)術的(de)限制,在薄(bo)膜的(de)表(biao)面層(ceng)內,會存在雜質(zhi)、缺陷(xian)、表面內應力以(yi)及電極(ji)材(cai)料和(he)鐵(tie)電薄(bo)膜材(cai)料的(de)晶格失(shi)配等因素,使(shi)得(de)薄(bo)膜在垂直(zhi)表面方(fang)向上(shang)表現(xian)為(wei)壹個(ge)不均(jun)勻系(xi)統(tong),造成(cheng)了(le)自發(fa)極化(hua)的(de)不(bu)均(jun)勻分布,進而(er)使(shi)薄(bo)膜的(de)鐵(tie)電性(xing)不(bu)同於(yu)三(san)維(wei)體材(cai)料。這種表(biao)面層(ceng)被(bei)稱(cheng)之(zhi)為非(fei)理(li)想表(biao)面層(ceng)。按(an)照(zhao)唯(wei)象(xiang)的(de)觀(guan)點(dian),上述(shu)這些(xie)因素改(gai)變(bian)了自發(fa)極化(hua),意味著在這樣(yang)的(de)薄(bo)膜內自由能(neng)分布是(shi)不均(jun)勻的(de)。非(fei)理(li)想表(biao)面層(ceng)內的(de)自由能(neng)密(mi)度(du)大(da)於(yu)或(huo)小(xiao)於(yu)薄(bo)膜內部深(shen)處(chu)的(de)自由能(neng)密(mi)度(du)。文(wen)獻(xian)的(de)作(zuo)者(zhe)認為這(zhe)是(shi)造成(cheng)鐵(tie)電薄(bo)膜物(wu)理(li)特性(xing)不(bu)同於(yu)三(san)維(wei)體材(cai)料的(de)根(gen)本(ben)原因。2)Green函數(shu)技術(shu)Wesselinowa等用Green函數(shu)技術(shu)探(tan)討了電極(ji)化(hua)率與鐵(tie)電薄(bo)膜的(de)厚度(du)和溫(wen)度的(de)關(guan)系(xi)。文(wen)中(zhong)通(tong)過建(jian)立表(biao)面處和體(ti)材(cai)料的(de)相互作用系(xi)數(shu)研(yan)究了極化(hua)率的(de)變(bian)化(hua)。聶鵬飛等利用(yong)雙時Green函數(shu)技術(shu)探(tan)討了基於(yu)贗(yan)自旋(xuan)-光子相互作用模型(xing)的(de)鐵(tie)電薄(bo)膜的(de)極(ji)化(hua)率,發(fa)現(xian)增(zeng)大耦合(he)作(zuo)用(yong)不(bu)僅會(hui)使(shi)極(ji)化(hua)率峰值(zhi)向(xiang)高溫(wen)區(qu)移(yi)動(dong),而(er)且(qie)還(hai)存在耦合(he)作(zuo)用(yong)的(de)臨(lin)界(jie)點(dian),在該點(dian)以(yi)下(xia)的(de)相變(bian)溫度比(bi)其(qi)體(ti)材(cai)料的(de)要(yao)低(di),隨膜厚的(de)減(jian)小(xiao)膜的(de)相變(bian)溫度也(ye)減小,臨界點(dian)以(yi)上與之相反,這與用(yong)GLD熱力學理(li)論得(de)出的(de)結果(guo)相同。