基于扫描探针显微术的铁电材料纳米尺度多场耦合效应研究

Ferroelectric materials are widely used in industry and national defense areas as an smart material. In recent years, ferroelectric materials and devices tend to be miniaturized and integrated, therefore it is significant to investigate multi-field coupling effects of ferroelectric materials at micro/nano-scale for their applications. Based on scanning probe microscopy as an experimental platform, this project focuses on the multi-field coupling effects of ferroelectric materials at nanoscale, and the main work to be done of the project is as follows: the influence of stress on the domain switching properties of ferroelectrics are to be investigated. Effect of temperature on the mechanical properties of domains as well as domain walls and on the local domain switching properties will be studied. Computational model of local electromechanical coupling properties of ferroelectrics based on energy minimization will be established. Study on the related problems of this project is significant for both basic science of ferroelectrics and applications of micro/nano-scale ferroelectric devices.

铁电材料作为一种智能材料广泛应用于工业和国防领域。近年来，铁电材料和器件正在向微型化和集成化方向发展，因此研究铁电材料在微纳米尺度下的多场耦合效应对于铁电材料的应用尤为关键。本项目以扫描探针显微镜为实验平台，围绕铁电材料纳米尺度多场耦合效应，主要进行以下几方面研究：研究应力对铁电材料微区电畴翻转特性的影响；研究温度变化对铁电材料微区电畴和畴壁力学性能及微区电畴翻转特性的影响；建立基于能量最优的铁电材料微区力电耦合效应计算模型。本项目相关研究内容的开展对于促进铁电基础科学的发展及微纳米器件的应用均具有重要意义。

材料在微小尺度下的力学及力电耦合性能对于其在微纳米尺度的应用极为重要。本项目主要针对材料微纳米尺度力电耦合性能及力学性能开展研究工作。研究了扫描探针声学显微术方法及其应用的有关问题；研究了Timoshenko梁模型在探针微悬臂动力学分析中的应用，获得了包含纵向和横向接触刚度和接触阻尼时探针微悬臂的特征方程，并建立了一种简单的对Euler-Bernoulli梁模型的波数进行修正的计算方法；研究了振幅调制原子力显微术探针不同模态的动力学特性，发现高阶模态相位对样品粘度变化具有更高的灵敏度；研究了双模态振幅调制原子力显微术针尖样品相互作用区转变问题，对于在特定作用区内成像的参数设置、相互作用区范围的控制以及对成像结果的正确理解和解释具有指导意义；研究了液相模式下双模态振幅调制原子力显微术探针模态间的功率传递问题。以上研究结果对于原子力显微术的微纳米力学测试方法发展及应用具有推动作用。