2022-2023學(xué)年高二物理競(jìng)賽課件：電路中靜態(tài)疇結(jié)構(gòu)及其形成原因

電路中靜態(tài)疇結(jié)構(gòu)及其形成原因

2電路中靜態(tài)疇結(jié)構(gòu)及其形成原因

鐵電晶體在沒(méi)有外電場(chǎng)和外力作用下從順電相過(guò)渡到鐵電相時(shí)，將出現(xiàn)至少兩個(gè)等價(jià)的自發(fā)極化方向，以便使晶體的總自由能最小。因此，晶體在鐵電相通常是由自發(fā)極化方向不同的一個(gè)一個(gè)小區(qū)域組成。每一個(gè)極化方向相同的小區(qū)域稱為鐵電疇，分離電疇的邊界稱為疇壁。Domainwall

3影響疇結(jié)構(gòu)的因素對(duì)于實(shí)際觀察到的疇結(jié)構(gòu)，將受到晶體對(duì)稱性、電導(dǎo)率、結(jié)構(gòu)缺陷、自發(fā)極化強(qiáng)度、彈性常數(shù)和介電常數(shù)的大小，以及晶體的制備歷史和樣品的幾何形狀等等因素的影響。

4靜態(tài)疇結(jié)構(gòu)的形成式中WE是靜電能密度；WS是彈性能密度；WW是疇壁能密度。式中忽略了高于四階的冪次項(xiàng)。鐵電晶體中的靜態(tài)疇結(jié)構(gòu)是由其總自由能最小決定。通常，在晶體的鐵電相中自由能的表示式可寫(xiě)為，

5如果晶體中不出現(xiàn)電疇，自然就不存在疇壁能，但此時(shí)靜電能和彈性能都比較大，從而使總能量較大。當(dāng)出現(xiàn)電疇后，雖然增加了疇壁能，但靜電能和彈性能減小了，使總能量減小。若電疇太多，疇壁能又會(huì)大大增加，使總能量增加。因此鐵電體中只會(huì)形成一定數(shù)量的電疇，以使靜電能、彈性能和疇壁能具有適當(dāng)值，從而使整個(gè)晶體的自由能最小，晶體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6靜電能亦即是退極化場(chǎng)能。當(dāng)鐵電晶體通過(guò)居里點(diǎn)產(chǎn)生自發(fā)極化時(shí)，相應(yīng)地在晶體表面和局部缺陷處產(chǎn)生極化電荷，此電荷就在鐵電體中建立一個(gè)退極化場(chǎng)Ed,應(yīng)變x以及相變熱。設(shè)相變時(shí)自發(fā)極化的突變?yōu)?，則退極化場(chǎng)為：

7因此Ed與Ps反向，它是極化不穩(wěn)定，相應(yīng)的退極化能密度為：式中的L是退極化因子，0<L<1,它取決于樣品的形狀和極化的取向。

8Cij是彈性剛度分量。應(yīng)變包括電致伸縮應(yīng)變和壓電應(yīng)變兩部分：相應(yīng)的應(yīng)變能密度為

9

S為熵的變化。單位體積的相變熱為：相變熱為：C是居里-外斯常量。

10一級(jí)相變的特征之一是兩相共存。新相的成長(zhǎng)過(guò)程就是相界移動(dòng)的過(guò)程。令相界移動(dòng)速率為VB。新相中電疇的圖像與VB以及電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有關(guān)。降低退極化有兩個(gè)途徑。一是形成180

度疇，二是載流子定向移動(dòng)以屏蔽自發(fā)極化?？紤]圖5.2所式的疇結(jié)構(gòu)模型。設(shè)樣品的厚度為t,體積為V，電疇寬度為d。

11圖5.2周期性180

疇結(jié)構(gòu)厚度為t,體積為V，電疇寬度為d。厚度t遠(yuǎn)大于d，退極化能為：

12式中的（

x）和（

x）分別為x方向和z方向的相對(duì)電容率。