纳尺度多铁异质结构非线性磁电耦合机理及临界尺寸研究

多铁性材料具有磁-电-弹多场耦合效应，为材料及器件的设计提供了更多的自由度，成为引领未来产业发展的一类重要的功能材料。外延异质多铁材料具有比单相多铁材料更高的磁电耦合性能，比传统复合多铁材料更直接有效的界面接触，有望成为新一代微纳电子器件的关键材料，因此，研究其微纳尺度下的耦合效应及相关特性对于其实际应用至关重要。现有理论多基于线性模型，很少考虑纳米尺度下两相微结构及表面效应和尺寸效应的影响。本项目基于热力学和连续介质力学理论结合微纳米力学方法对典型的钙钛矿类外延异质结构进行研究，系统建立复杂条件下的力-电-磁耦合模型，重点探讨其非线性磁电耦合效应的本质机理，分析其临界最小尺寸的存在性及大小，并计算模拟材料在外加耦合场下的动态响应。研究结果将为此类多场耦合材料的制备及器件的小型化设计提供必要的理论指导。

本项目针对微纳尺度下的力-电-磁多耦合场效应开展研究，通过结合Eshelby等效夹杂方法与热力学方法，建立了具有椭球状夹杂的多物理场耦合模型。通过详细研究成份、晶格错配应变等的对铁电极化性能、介电性能、压电性能和压磁性能的影响，发现诸多物理性能在临界尺寸厚度附近发生突变，而临界尺寸强烈受到外应力及错配应力的影响。进一步研究铁电超薄薄膜临界尺寸附近的物理现象，发现压电效应与通常预期反常，在临界尺寸附近增强。在有外加场或者缺陷场的存在下，压电效应出现类似弛豫现象，有望成为阐释高压电效应的新机理。对于铁电隧穿结，当薄膜厚度远离临界厚度时，压电效应较小，对于隧穿电流的影响不是很大；当薄膜厚度处于临界厚度附近，压电效应很大，较大的压电效应可以改变极化状态，从而成为开关效应的重要影响因素。相关研究不仅为纳电子器件的设计和使用提供了理论基础，并有望成为解释高压电效应与利用压电效应设计纳米开关器件的新途径。