铁电薄膜在微机电系统、高速存储器及半导体等领域中广泛应用,其独特的电-力学特性使得它们成为新型功能材料和微电子器件领域的研究热点。例如,在铁电存储器的应用中,铁电薄膜的电畴翻转及其响应速度是一个十分关键的问题。此外,大量纳米尺寸的铁电元器件需要在非常高的加载频率下工作,加载频率将极大地影响铁电薄膜的物理性能,甚至造成器件的失效。另一方面,随着纳米制备工艺的发展,以及机电设备小型化与集成化趋势的增长,要求铁电薄膜的尺寸越来越小。尺寸的减小会带来许多新问题,例如不可忽略的表面和界面效应。因此,为了保证微电子元器件良好稳定地工作,非常有必要针对外场加载频率以及尺寸变化对铁电薄膜电-力学特性的影响开展深入系统的研究。本文采用连续介质热力学框架下的相场方法,分别研究了铁电单晶纳米薄膜和柱状晶薄膜的电-力学特性的频率和尺寸相关性。主要研究内容如下:(1)构造了铁电单晶薄膜二维相场模型,并利用与时间相关的金兹堡-朗道动力学方程计算极化强度的演变。在此模型的基础上,研究了失配应变对单晶薄膜铁电性的影响。根据相关实验研究,考虑了压缩和拉伸两种状态的失配应变,取值在-3.2%至1%之间。通过分析不同失配应变下铁电单晶薄膜的电滞回线和蝶形曲线发现,压缩失配应变可以极大地提高薄膜的剩余极化和矫顽场,而拉伸失配应变的作用正相反。进一步分析铁电单晶薄膜内部的微结构发现,压缩失配应变的增大会使得垂直于薄膜表面方向的极化增多,薄膜内部甚至出现环形畴结构。随着电场变化,极化矢量发生瞬间180°翻转。而在拉伸失配应变的作用下,平行于薄膜表面的极化较多,并且可以形成水平方向的180°畴结构。极化矢量随着电场变化发生90°翻转。(2)针对钛酸钡铁电单晶薄膜,分别开展了外电场加载频率和薄膜厚度对其电-力学特性的影响研究。在频率效应的研究中,电场加载频率的范围为0.1-100 k Hz,分别计算了失配应变为-0.1%和-1.74%时薄膜的频率响应。研究表明,在低频范围(0.1-20 k Hz),随着频率的增大矫顽场迅速增大而剩余极化增幅较小。当频率超过20 k Hz,矫顽场小幅度增大而剩余极化迅速减小,同时电滞回线变成椭圆形并且蝶形曲线的尾部特征消失。在低频范围内,薄膜铁电性的频率响应对失配应变更敏感。通过观察薄膜内部微结构发现,在频率较低时,薄膜内部极化通常发生完整的180°翻转;而在较高频率作用下,极化较难发生偏转,导致薄膜内部的极化不再饱和。在薄膜厚度影响的研究中发现,随着薄膜厚度从100 nm减小到5 nm,剩余极化和矫顽场均增大,而介电常数和压电常数均减小。这是由于电畴结构特征与薄膜厚度有很大相关性。在厚度较大的薄膜中容易出现多畴结构,其与厚度较小时薄膜内部的单畴结构相比更易发生翻转,从而导致了计算观察到的尺寸效应。(3)柱状晶铁电薄膜的特殊结构使其具有不同于一般薄膜的优良特性。为此,开展了柱状晶铁电薄膜特性的频率和尺寸相关性研究。构造了柱状晶钛酸钡铁电薄膜的二维相场模型,其中包含四个不同晶向的特征晶粒以及低介电常数和顺电相的晶界。在模型中综合考虑了失配应变、缺陷以及低介电性表面层的影响。频率效应研究表明,柱状晶薄膜铁电性的频率响应与单晶薄膜中类似。这是由于本模型中铁电材料的迟滞行为主要是微结构演化速度与外场加载速度竞争导致的。然而,由于柱状晶薄膜中晶粒之间存在与晶粒性质不同的晶界,导致柱状晶薄膜与单晶薄膜的尺寸效应有较大差异。柱状晶薄膜的尺寸特征包括晶粒尺寸和薄膜厚度,晶界对于二者分别起到了不同的作用。在晶粒尺寸效应中,晶界的低介电常数和顺电相特性对薄膜铁电性起到了“稀释”作用。当晶粒尺寸从200 nm减小到20 nm,晶界的体积组分逐渐增大,导致了薄膜整体的矫顽场、剩余极化、介电常数和压电常数均减小。通过观察计算得到的微结构发现,晶界附近退极化场的存在使得在晶粒尺寸较小的薄膜中出现环形畴结构。而在薄膜厚度影响的研究中,晶界与晶粒间相互作用对微结构分布及演化的影响是主要因素。当晶粒尺寸固定而薄膜厚度从80 nm增大到380 nm时,矫顽场、剩余极化和压电常数均增大,介电常数减小。薄膜厚度的增大同时使得柱状晶粒纵向尺度增大,更多的电偶极子沿极轴方向排列,从而薄膜剩余极化越来越大。另一方面,晶界高度的增大也带来了更多的缺陷,在薄膜中出现了更多的多畴结构。此外,研究发现在柱状晶薄膜中主要存在两种极化翻转方式。在厚度较小的薄膜中,0-180°极化翻转起主导作用;而在厚度较大的薄膜中,大部分极化发生0-90°-180°翻转。本论文的研究工作建立了铁电薄膜微结构与其宏观电-力学特性之间的联系,为实现通过应变或尺寸调控等手段以获得铁电纳米薄膜优良特性提供了理论依据,为拓展铁电薄膜的应用范围特别是在高频领域奠定了理论基础。