鐵電物理學最新進展

1、 鐵電物理研究新進展New Progress in FerroelectricsReporter: Wang Yi天文與應用物理系Tel:3601854Office Room: 12182022/9/121細推物理須行樂何用浮名絆此生 杜甫2022/9/1221.History of Ferroelectrics(Ferromagnetics)166（5）5年前后 法國La Rochelled地方人 Pierre de la Seignette最早試制成功羅息鹽（RS）（酒石酸甲鈉,NaKC4H4O64H2O）Sodium Potassium Tartrate Tetrahydrate 192

2、0年 法國人Valasek發(fā)現(xiàn)羅息鹽的 特異的非線性介電性能，導致了“鐵電性”概念的出現(xiàn).1920年成為鐵電物理學研究開始的象征？目前，世界上存在200多種鐵電體2022/9/123鐵電體的晶體結構：ABO3 (ABF3) perovskite structurewith A2+B4+ or A1+B5+ octahedra鈣鈦礦(ABO3) 型鐵電體是為數(shù)最多的一類鐵電體2022/9/124鈣鈦礦結構的一個結構單元 2022/9/125Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906 Pierre Curie

3、was born in Paris, on May 15, 1859. 2022/9/126 A Nobel Prize Pioneer at the PanthonThe ashes of Marie Curie and her husband Pierre have now been laid to rest under the famous dome of the Panthon, in Paris, alongside the author Victor Hugo, the politician Jean Jaurs and the Resistance fighter Jean Mo

4、ulin. Through her discovery of radium, Marie Curie paved the way for nuclear physics and cancer therapy. Born of Polish parents, she was a woman of science and courage, compassionate yet stubbornly determined. Her research work was to cost her her life.Born in Warsaw on November 7, 1867Marie died of

5、 leukaemia in July, 19342022/9/127自發(fā)極化的產(chǎn)生順電相：Ba：（0，0，0） Ti：（12，12 ，12），3O： （12，12 ，0）；(12，0 ，12）； （0，12 ，12)鐵電相：Ba：（0，0，0） Ti：（12，12 ，12+0.0135），O：（12，12 ，-0.0250），2O： （12，0 ，12-0.0150）； （0，12 ，12-0.0150）2022/9/128重要特征：鐵電體的電滯回線 (hysteresis loop )OD: Pr remanent polarizationOE: Ps spontaneous polariz

6、ationOF: Ec coercive fieldE: electric fieldP: polarization amplitude2022/9/1292. 研究內容：bulk materials thin films核心問題 自發(fā)極化 spontaneous polarization自發(fā)極化是怎樣產(chǎn)生的？自發(fā)極化與晶體結構和電子結構有什么關系？在各種外界條件作用下極化狀態(tài)怎樣變化？特殊的物理性質和應用2022/9/1210五個研究階段：第一階段（19201939年） 兩種鐵電結構材料，即羅息鹽和KH2PO4系列；第二階段（19401958年）Landau鐵電唯象phenomenologi

7、cal理論開始建立 ，并趨于成熟；第三階段（195970年代） 鐵電軟模(Soft-Mode)理論出現(xiàn)和基本完善；第四階段（80年代至今）主要研究各種非均勻系統(tǒng)。第五個階段：96年開始鐵電薄膜和鐵電薄膜器件2022/9/1211Lev Davidovich LandauBorn: 22 Jan 1908 in Baku, Azerbaijan, Russian EmpireDied: 1 April 1968 in Moscow, USSR2022/9/1212Several Important Concepts:鐵電相變：phase transition of ferroelectrics鐵

8、電相與順電(paraelectricity)相之間的轉變居里溫度（居里點） Tc 鐵電體(ferroelectric) 變成順電體(paraelectric)實質 ：自發(fā)極化出現(xiàn)或消失2022/9/1213Domain and Domain WallDielectric Constant2022/9/12142022/9/1215 3.鐵電理論I：鐵電宏觀理論-朗道相變理論將對稱破缺引入到相變理論，強調對稱性的重要性,對稱性的存在與否是不容模棱兩可的,高對稱性相中某一對稱元素突然消失,就對應于相變的發(fā)生,導致低對稱相的出現(xiàn)。 對稱性 有序化程度序參量：描寫系統(tǒng)內部有序化程度，表征相變過程 的基

9、本參量.高對稱相中為零，低對稱相中 不為零.序參量和對稱破缺對溫度的依賴性2022/9/1216 Landau理論的具體表達： 自由能作于為序參量的函數(shù)。 序參量：標量、矢量、張量或復數(shù)。 在相變點附近，將自由能展開：2022/9/1217Ferroelectric Bi3.25La0.75Ti3O122022/9/1218使自由能達到極小使自由能達到極小連續(xù)變化要求，2022/9/1219Some important quantities can be obtained by : 序參量(order parameter)： 熵(entropy)： 比熱(specific heat)：2022

10、/9/1220特征函數(shù)： 彈性吉布斯自由能G 如果特征函數(shù)連續(xù)但一級導數(shù)不連續(xù)則相變是一級的，如果一級導數(shù)連續(xù)，但二級導數(shù)不連續(xù)，則相變是二級的。 2022/9/1221 將特征函數(shù)寫為D的各偶次冪之和： T0：Curie-Weiss Temperature2022/9/1222 鐵電理論II: 鐵電相變的微觀理論從原子或分子機制來說明鐵電體的鐵電性質根據(jù)晶體結構測定和理論分析，可將鐵電相變分為兩種類型：(1)位移型: displacive 由于原子的非諧振動，其平衡位置相對于順電相發(fā)生了偏移(2)有序無序型: order-disorder 多個平衡位置 順電相原子或原子團在這些位置的分布是無

11、序的，在鐵電相它們的分布有序化 (KH2PO4) BaTiO3 兼具兩者特征2022/9/1223軟模理論（位移型）：自發(fā)極化的出現(xiàn)聯(lián)系于布里淵區(qū)中心某個光學橫模的“軟化” 靜態(tài)位移 集中注意對相變負責的晶胞中少數(shù)離子單勢阱中的非諧振子 軟模的機制：短程排斥力和長程庫侖力平衡2022/9/12242022/9/1225軟模理論（有序無序型）：離子在雙勢阱中的運動序參量：氫的有序化程度 二能級系統(tǒng)：對稱 反對稱 隧穿頻率 橫場Ising模型 2022/9/1226Ising ModelSuppose we have a lattice, with Ld lattice sites and con

12、nections between them. (e.g. a square lattice).On each lattice site, is a single spin variable: si = 1.The energy is:where h is the parameter proportional to the magnetic fieldk is the coupling between nearest neighbors (i,j)k0 ferromagnetick0 antiferromagnetic.2022/9/1227 微觀理論的進一步發(fā)展: 軟模理論： 位移型系統(tǒng) 晶格

13、振動光學橫模 有序無序系統(tǒng) 贗自旋波 (粒子在雙勢阱中的運動) 鐵電相變的統(tǒng)一理論 振動電子理論 2022/9/1228極化方式：不同晶格類型中局部電場與外加電場之間的關系有幾種不同的類型，但仍是爭論激烈至盡未解決的問題。 “莫索蒂災難”（1）克勞修斯-莫索蒂-洛倫茲模型 （2）昂薩格模型 “空間電荷” space charge電介質材料及介電性能P107束縛電荷 退極化場 靜電能 機械約束 應變、應力能 極化均勻程度與不穩(wěn)定電疇domain 疇壁能domain wall總自由能取極小值的條件決定了電疇的穩(wěn)定構型 2022/9/1229 極化反轉的基本過程： 1.新疇成核 2.疇的縱向長大 3

14、.疇的橫向擴張 4.疇的合并 2022/9/1230介電響應：Dielectric Response電介質的本質特征：以極化的方式傳遞、存儲、或記錄電場的作用和影響 基本參量： 極化率（電容率 permittivity）鐵電體電容率的特點：數(shù)值大、非線性效應強、顯著的溫度和頻率依賴性鐵電體結構 缺陷 相變2022/9/1231 鐵電體的幾個功能效應：壓電效應：在某些晶體的特定方向施加壓力，相應的表面上出現(xiàn)正或負的電荷，而且電荷密度與壓力大小成正比。熱電效應：極化隨溫度改變的現(xiàn)象非線性光學效應、電光效應、光折變效應等2022/9/12322022/9/1233 5.鐵電物理學研究的新進展 ：（1

15、）第一性原理的計算 BaTiO3和PbTiO3都有鐵電性，晶體結構和化學方面 都與它們相同的SrTiO3卻沒有鐵電性？ （2） 尺寸效應的研究 自發(fā)極化、相變溫度和介電極化率等隨尺寸變化的 規(guī)律，鐵電體的鐵電臨界尺寸2022/9/1234 (3) 鐵電液晶和鐵電聚合物的基礎和應用研究 手性分子組成的傾斜的層狀C相（SC*相）液晶具 有鐵電性。鐵電液晶在電光顯示和非線性光學方面 有很大吸引力。 (4)集成鐵電體的研究 ：鐵電薄膜與半導體的集成 鐵電隨機存取存儲器（FRAM） 鐵電場效應晶體管（FFET） 鐵電動態(tài)隨機存取存儲器（FDRAM） 紅外探測與成像器件 超聲與聲表面波器件以及光電子器件等

16、 鐵電薄膜傳感器 弛豫型鐵電傳感器2022/9/1235Pulsed Laser Deposition (PLD)2022/9/12362022/9/1237Problems: 1)Fatigue2022/9/12382)Imprint Effect2022/9/1239 Voltage shift phenomena2022/9/1240oxygen annealed (10 Torr)2022/9/1241vacuum annealed (10-6) Torr2022/9/12423)The polarization distribution aroundperiodic misfitdi

17、slocations (a) 15-nm- (b) 40-nm-thicks (001) PbTiO3 film on(001) LaAlO3 substrate 2022/9/1243Atomic-Scale Structure of Ferroelectric Thin Films1.Materials: SrBi2Ta2O9 (SBT)Thin Films with (001) orientation2.Substrates: Pt/TiO2/SiO2/Si (100)3.Growing Method : Pulsed Laser Deposition (PLD)2022/9/12444

18、)Compositionally Graded Ferroelectrics (Pb,La)TiO3 thin films on Pt/Ti/SiO2/Si substrates2022/9/1245Simultaneous Ferroelectricity,Ferromagnetism5.New material with new propertity -Ferroelectro-magnetic Materials2022/9/12462022/9/12472022/9/1248Examining Devices1. Transverse Electron Microscopy (TEM)

19、2. High-Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM)3. Dielectric Response (frequency,temperature)4. Scanning Electron Microscopy (SEM)5. Atomic Force Microscopy (AFM)6. XRD (X-Ray Diffraction)2022/9/1249Piezoelectric properties and poling effect of Pb(Zr, Ti)O3 thick films2022/9/12502022/9/1

20、2516.Possible Ferroelectric Chips -a disruptive technology 1)Volatile memory chips: lose the data they store when the power is turned off. Most common types of volatile memory are DRAM and SRAM.2)Non-volatile memory chips: retain the data they store after the power is turned off. Most common types o

21、f volatile memory are flash and EEPROM.2022/9/12523)DRAM (dynamic random access memory): high-density chips used in personal computers to store operating system and applications software. Store data in the form of electric charge on capacitors, which needs to be refreshed thousands of times a second (hence, dynamic).4)SRAM (static random access memory): fast, relatively low-density memory used to store instructions for microprocessors or as a scratchpad in applications s