鐵電材料的尺寸效應和表面界面效應

　　鐵電材料的研究現狀鐵電薄膜是一類重要的薄膜材料,是目前高新技術研究的前沿和熱點之一。究其原因,可概括為介電性、鐵電開關效應、壓電效應、熱釋電效應、電光效應、聲光效應、光折變效應和非線性光學效應等特點,該材料既可以單獨利用上述諸效應制作不同的功能器件,也可以綜合利用兩個或兩個以上的效應,制作多功能器件、集成器件或機敏器件,因此,鐵電薄膜和集成鐵電器件在世界范圍內引起了科技工作者、產業部門、甚至政府部門的關注。近幾年的研究熱點如下:2.1尺寸效應和表面界面效應近年來,鐵電薄膜和以鐵電體為組元的復合型功能材料發展很快,促進了對低維鐵電材料特性的理論研究。人們對鐵電薄膜研究的高漲熱情,其主要動力是鐵電薄膜在記憶器件上的應用。理論研究的主要途徑有GLD的唯象理論和橫場Ising模型。主要探究尺寸效應和表面效應。
 

　　隨著鐵電薄膜和鐵電超微粉的發展,鐵電尺寸效應已成為迫切需要解決的實際問題。對于集成鐵電器件在有限尺寸下的發展有重要意義。實驗上已經證實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生是庫侖長程作用(不像鐵磁體是短程交換作用的結果),尺寸太小,長程有序將消失。但是鐵電薄膜只是在一個方向上尺寸很小,在另外兩個方向上尺寸仍很大,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中尺寸效應不可忽略,深入了解尺寸效應需要研究表面的晶格結構,偶極相互作用。薄膜表面處的極化分布不連續形成退極化場,對整個系統的極化狀態產生影響,表面區域內長程偶極作用與體內不同,將導致自發極化、相變溫度、極化率等隨膜厚度而變化。由于薄膜的尺寸效應和表面效應,給理論研究造成了很大的困難,但也正是由于這些效應使鐵電薄膜的研究更富有挑戰性,吸引了大量的科學工作者對其進行研究,尋求簡便而合理的方法探究其中的物理實質,并希望通過理論研究,為實驗突破鐵電薄膜在尺寸上的限制給予方向性指導。1)外推長度的引入Kretschme在均勻GLD三維鐵電理論的基礎上引進了“外推長度”的概念,并在GLD自由能的表達式中引入了極化梯度項和一個表面自由能項,即:
 

　　式中,δ為“外推長度”。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相變,Scoot等將此法推廣到一級相變,主要研究了鐵電薄膜自發極化的分布、相變溫度、矯頑電場以及介電常數等特性隨薄膜厚度的變化。但是用這種方法在理論計算之前,必須事先給定外推長度,這使有“外推長度”這一概念所得到結論的可靠性讓人懷疑。現在已經有一些實驗不支持“外推長度”的觀點。M.Kiyotoshi和K.Eguchi指出,一個20nm厚的外延型SrTiO3單晶薄膜,它的介電常數是160,僅僅比厚度是150nm的膜的介電常數小15%.Y.Watanabe等也指出,14nm厚的BaTiO3薄膜呈現相應體材料的晶體對稱性。然而,仍有很多人用此觀點來處理鐵電薄膜的表面/界面效應。
 

　　由于薄膜制備技術的限制,在薄膜的表面層內,會存在雜質、缺陷、表面內應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為一個不均勻系統,造成了自發極化的不均勻分布,進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,上述這些因素改變了自發極化,意味著在這樣的薄膜內自由能分布是不均勻的。非理想表面層內的自由能密度大于或小于薄膜內部深處的自由能密度。文獻的作者認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函數技術Wesselinowa等用Green函數技術探討了電極化率與鐵電薄膜的厚度和溫度的關系。文中通過建立表面處和體材料的相互作用系數研究了極化率的變化。聶鵬飛等利用雙時Green函數技術探討了基于贗自旋-光子相互作用模型的鐵電薄膜的極化率,發現增大耦合作用不僅會使極化率峰值向高溫區移動,而且還存在耦合作用的臨界點,在該點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,臨界點以上與之相反,這與用GLD熱力學理論得出的結果相同。