多畴铁电薄膜畴结构与铁电性能的相场法研究

Pb(Zr1-xTix)O3（PZT）铁电薄膜具有轻质、高介电和压电性等优点，成为现代微电子工业的理想材料。但随着材料厚度减小，铁电材料的介电和压电性能明显降低，限制了铁电薄膜的应用。本项目首先求解铁电薄膜-弹性基体双材料界面位错的应力应变场，并结合Landau-Devonshire方程确定界面位错生成的临界厚度。针对不同厚度的薄膜，结合Cahn-Hilliard相分离和微结构演化相场方程构建PZT铁电薄膜普适的相场分析方法。数值模拟不同条件下稳定的铁电畴结构，系统建立铁电薄膜的相图，进而探讨铁电性能与成分、厚度、错配应变和温度的依赖关系。通过物理和化学的方法在不同基体上制备不同厚度的铁电薄膜，采用各种实验观测和测试方法，分析薄膜的微结构、畴结构和铁电性能，为理论和模拟提供验证。目的在于阐明PZT铁电薄膜畴结构和铁电性能的影响因素，为PZT铁电薄膜的设计和制备提供科学依据。

本课题自2012年1月至2015年12月，历时4年，现已基本完成计划内容。共培养研究生3名，发表论文12篇，其中SCI收录5篇，EI收录6篇。由于具有良好的介电和压电效应，铁电薄膜材料被广泛应用到电子工业的各个领域。本项目主要采用相场法研究PZT铁电薄膜内畴结构的形貌及其演化，研究铁电薄膜表面屈曲及脱层屈曲等科学问题。本课题的主要进展如下: 为了更好的模拟实验结果，对于外延铁电薄膜，在薄膜表面我们提出了一种新的介电电学边界条件，此边界条件可退化为传统的短路和开路电学边界条件。在此三种电学边界条件下，采用二维相场法研究了外延PZT铁电薄膜中畴结构的形貌及其随着厚度的演化，探讨了涡旋畴结构与条带畴结构与电学边界条件、薄膜厚度等的相互关系；初步讨论了涡旋畴结构与条带畴结构的相互转换条件和转换方式，畴结构与铁电薄膜铁电性能的相互关系。研究了铁电单晶的极化强度与薄膜厚度、温度和错配应变的相互关系，获得了单晶外延铁电薄膜相结构稳定性的温度与尺寸效应。研究了软基体上铁电薄膜在薄膜内应力和外加预应变作用下的各种屈曲行为。采用摄动法和力学平衡关系获得铁电薄膜失稳的临界薄膜内力、临界波长和幅值。采用变分方法和系统的电焓表达式，推导了铁电薄膜系统的力电耦合控制方程，应用系统电焓能量最小原理，分别获得薄膜局部屈曲和脱层屈曲的幅值、临界应变和波长的表达式，并且分别研究了软弹性基体刚性支撑与滑动支撑下表面薄膜局部屈曲行为，进一步探讨了软弹性体基体粘性对表面薄膜屈曲与后屈曲的影响。采用惯性熵理论，研究了波在热释电双材料界面折射和反射行为，首次在界面两边获得了两个新的表面波；进一步研究了考虑粘性的热释电材料中一般波的传播和受热冲击作用的波的传播。以上的研究工作对PZT外延铁电薄膜的研究和设计，铁电/压电微电子器件的设计和制造及研究微电子器件中能量的传播具有重要意义。