铁电材料的尺寸效应和表面界面效应

　　铁电材料的研究现状铁电薄膜是一类重要的薄膜材料,是目前高新技术研究的前沿和热点之一。究其原因,可概括为介电性、铁电开关效应、压电效应、热释电效应、电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等特点,该材料既可以单独利用上述诸效应制作不同的功能器件,也可以综合利用两个或两个以上的效应,制作多功能器件、集成器件或机敏器件,因此,铁电薄膜和集成铁电器件在世界范围内引起了科技工作者、产业部门、甚至政府部门的关注。近几年的研究热点如下:2.1尺寸效应和表面界面效应近年来,铁电薄膜和以铁电体为组元的复合型功能材料发展很快,促进了对低维铁电材料特性的理论研究。人们对铁电薄膜研究的高涨热情,其主要动力是铁电薄膜在记忆器件上的应用。理论研究的主要途径有GLD的唯象理论和横场Ising模型。主要探究尺寸效应和表面效应。
 

　　随着铁电薄膜和铁电超微粉的发展,铁电尺寸效应已成为迫切需要解决的实际问题。对于集成铁电器件在有限尺寸下的发展有重要意义。实验上已经证实铁电薄膜厚度薄到一定的程度铁电性将消失,其中的物理原因还不是很清楚。我们知道铁电性的产生是库仑长程作用(不像铁磁体是短程交换作用的结果),尺寸太小,长程有序将消失。但是铁电薄膜只是在一个方向上尺寸很小,在另外两个方向上尺寸仍很大,可见铁电性的消失,薄膜表面的影响因素很大。所以在薄膜等低维系统中尺寸效应不可忽略,深入了解尺寸效应需要研究表面的晶格结构,偶极相互作用。薄膜表面处的极化分布不连续形成退极化场,对整个系统的极化状态产生影响,表面区域内长程偶极作用与体内不同,将导致自发极化、相变温度、极化率等随膜厚度而变化。由于薄膜的尺寸效应和表面效应,给理论研究造成了很大的困难,但也正是由于这些效应使铁电薄膜的研究更富有挑战性,吸引了大量的科学工作者对其进行研究,寻求简便而合理的方法探究其中的物理实质,并希望通过理论研究,为实验突破铁电薄膜在尺寸上的限制给予方向性指导。1)外推长度的引入Kretschme在均匀GLD三维铁电理论的基础上引进了“外推长度”的概念,并在GLD自由能的表达式中引入了极化梯度项和一个表面自由能项,即:
 

　　式中,δ为“外推长度”。这种研究方法得到了广泛的使用。Tilley和Zeks首先用此法研究了铁电薄膜中二级相变,Scoot等将此法推广到一级相变,主要研究了铁电薄膜自发极化的分布、相变温度、矫顽电场以及介电常数等特性随薄膜厚度的变化。但是用这种方法在理论计算之前,必须事先给定外推长度,这使有“外推长度”这一概念所得到结论的可靠性让人怀疑。现在已经有一些实验不支持“外推长度”的观点。M.Kiyotoshi和K.Eguchi指出,一个20nm厚的外延型SrTiO3单晶薄膜,它的介电常数是160,仅仅比厚度是150nm的膜的介电常数小15%.Y.Watanabe等也指出,14nm厚的BaTiO3薄膜呈现相应体材料的晶体对称性。然而,仍有很多人用此观点来处理铁电薄膜的表面/界面效应。
 

　　由于薄膜制备技术的限制,在薄膜的表面层内,会存在杂质、缺陷、表面内应力以及电极材料和铁电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现为一个不均匀系统,造成了自发极化的不均匀分布,进而使薄膜的铁电性不同于三维体材料。这种表面层被称之为非理想表面层。按照唯象的观点,上述这些因素改变了自发极化,意味着在这样的薄膜内自由能分布是不均匀的。非理想表面层内的自由能密度大于或小于薄膜内部深处的自由能密度。文献的作者认为这是造成铁电薄膜物理特性不同于三维体材料的根本原因。
 

　　2)Green函数技术Wesselinowa等用Green函数技术探讨了电极化率与铁电薄膜的厚度和温度的关系。文中通过建立表面处和体材料的相互作用系数研究了极化率的变化。聂鹏飞等利用双时Green函数技术探讨了基于赝自旋-光子相互作用模型的铁电薄膜的极化率,发现增大耦合作用不仅会使极化率峰值向高温区移动,而且还存在耦合作用的临界点,在该点以下的相变温度比其体材料的要低,随膜厚的减小膜的相变温度也减小,临界点以上与之相反,这与用GLD热力学理论得出的结果相同。