鐵電材料的尺寸效應(yīng)和表面界面效應(yīng)

　　鐵電材料的研究現(xiàn)狀鐵電薄膜是一類重要的薄膜材料,是目前高新技術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)之一。究其原因,可概括為介電性、鐵電開關(guān)效應(yīng)、壓電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、光折變效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)等特點(diǎn),該材料既可以單獨(dú)利用上述諸效應(yīng)制作不同的功能器件,也可以綜合利用兩個(gè)或兩個(gè)以上的效應(yīng),制作多功能器件、集成器件或機(jī)敏器件,因此,鐵電薄膜和集成鐵電器件在世界范圍內(nèi)引起了科技工作者、產(chǎn)業(yè)部門、甚至政府部門的關(guān)注。近幾年的研究熱點(diǎn)如下:2.1尺寸效應(yīng)和表面界面效應(yīng)近年來,鐵電薄膜和以鐵電體為組元的復(fù)合型功能材料發(fā)展很快,促進(jìn)了對(duì)低維鐵電材料特性的理論研究。人們對(duì)鐵電薄膜研究的高漲熱情,其主要?jiǎng)恿κ氰F電薄膜在記憶器件上的應(yīng)用。理論研究的主要途徑有GLD的唯象理論和橫場(chǎng)Ising模型。主要探究尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)。
 

　　隨著鐵電薄膜和鐵電超微粉的發(fā)展,鐵電尺寸效應(yīng)已成為迫切需要解決的實(shí)際問題。對(duì)于集成鐵電器件在有限尺寸下的發(fā)展有重要意義。實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)證實(shí)鐵電薄膜厚度薄到一定的程度鐵電性將消失,其中的物理原因還不是很清楚。我們知道鐵電性的產(chǎn)生是庫(kù)侖長(zhǎng)程作用(不像鐵磁體是短程交換作用的結(jié)果),尺寸太小,長(zhǎng)程有序?qū)⑾?。但是鐵電薄膜只是在一個(gè)方向上尺寸很小,在另外兩個(gè)方向上尺寸仍很大,可見鐵電性的消失,薄膜表面的影響因素很大。所以在薄膜等低維系統(tǒng)中尺寸效應(yīng)不可忽略,深入了解尺寸效應(yīng)需要研究表面的晶格結(jié)構(gòu),偶極相互作用。薄膜表面處的極化分布不連續(xù)形成退極化場(chǎng),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的極化狀態(tài)產(chǎn)生影響,表面區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)程偶極作用與體內(nèi)不同,將導(dǎo)致自發(fā)極化、相變溫度、極化率等隨膜厚度而變化。由于薄膜的尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng),給理論研究造成了很大的困難,但也正是由于這些效應(yīng)使鐵電薄膜的研究更富有挑戰(zhàn)性,吸引了大量的科學(xué)工作者對(duì)其進(jìn)行研究,尋求簡(jiǎn)便而合理的方法探究其中的物理實(shí)質(zhì),并希望通過理論研究,為實(shí)驗(yàn)突破鐵電薄膜在尺寸上的限制給予方向性指導(dǎo)。1)外推長(zhǎng)度的引入Kretschme在均勻GLD三維鐵電理論的基礎(chǔ)上引進(jìn)了“外推長(zhǎng)度”的概念,并在GLD自由能的表達(dá)式中引入了極化梯度項(xiàng)和一個(gè)表面自由能項(xiàng),即:
 

　　式中,δ為“外推長(zhǎng)度”。這種研究方法得到了廣泛的使用。Tilley和Zeks首先用此法研究了鐵電薄膜中二級(jí)相變,Scoot等將此法推廣到一級(jí)相變,主要研究了鐵電薄膜自發(fā)極化的分布、相變溫度、矯頑電場(chǎng)以及介電常數(shù)等特性隨薄膜厚度的變化。但是用這種方法在理論計(jì)算之前,必須事先給定外推長(zhǎng)度,這使有“外推長(zhǎng)度”這一概念所得到結(jié)論的可靠性讓人懷疑?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些實(shí)驗(yàn)不支持“外推長(zhǎng)度”的觀點(diǎn)。M.Kiyotoshi和K.Eguchi指出,一個(gè)20nm厚的外延型SrTiO3單晶薄膜,它的介電常數(shù)是160,僅僅比厚度是150nm的膜的介電常數(shù)小15%.Y.Watanabe等也指出,14nm厚的BaTiO3薄膜呈現(xiàn)相應(yīng)體材料的晶體對(duì)稱性。然而,仍有很多人用此觀點(diǎn)來處理鐵電薄膜的表面/界面效應(yīng)。
 

　　由于薄膜制備技術(shù)的限制,在薄膜的表面層內(nèi),會(huì)存在雜質(zhì)、缺陷、表面內(nèi)應(yīng)力以及電極材料和鐵電薄膜材料的晶格失配等因素,使得薄膜在垂直表面方向上表現(xiàn)為一個(gè)不均勻系統(tǒng),造成了自發(fā)極化的不均勻分布,進(jìn)而使薄膜的鐵電性不同于三維體材料。這種表面層被稱之為非理想表面層。按照唯象的觀點(diǎn),上述這些因素改變了自發(fā)極化,意味著在這樣的薄膜內(nèi)自由能分布是不均勻的。非理想表面層內(nèi)的自由能密度大于或小于薄膜內(nèi)部深處的自由能密度。文獻(xiàn)的作者認(rèn)為這是造成鐵電薄膜物理特性不同于三維體材料的根本原因。
 

　　2)Green函數(shù)技術(shù)Wesselinowa等用Green函數(shù)技術(shù)探討了電極化率與鐵電薄膜的厚度和溫度的關(guān)系。文中通過建立表面處和體材料的相互作用系數(shù)研究了極化率的變化。聶鵬飛等利用雙時(shí)Green函數(shù)技術(shù)探討了基于贗自旋-光子相互作用模型的鐵電薄膜的極化率,發(fā)現(xiàn)增大耦合作用不僅會(huì)使極化率峰值向高溫區(qū)移動(dòng),而且還存在耦合作用的臨界點(diǎn),在該點(diǎn)以下的相變溫度比其體材料的要低,隨膜厚的減小膜的相變溫度也減小,臨界點(diǎn)以上與之相反,這與用GLD熱力學(xué)理論得出的結(jié)果相同。