失配应变对铁电薄膜电热效应影响的热力学研究

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电场的变化使得铁电材料内部偶极子的有序度改变,从而发生绝热温度变化,从而可以用于制冷。相对于块体材料,铁电薄膜可以承受更大击穿电场从而获得更大的绝热温变。优异的电热效应响应通常发生在相界附近,而铁电薄膜与基底之间的晶格失配应变会影响铁电薄膜相结构和相界,这为通过失配应变改善铁电薄膜材料的电热效应响应提供了机遇。但在电热效应理论研究中失配应变的取值通常是任意假设的,并没有考虑其失配应变的真正来源。为此,本文基于热力学理论,结合熵分析方法,以Pb(Zr1-xTix)O3(PZT)薄膜为材料对象,通过考虑失配应变的来源,研究了基底和膜厚所致失配应变对铁电薄膜电热效应的影响,主要研究内容及结果如下:(1)基于热力学唯象理论,研究了外加电场方向、面内失配正应变、面内失配剪应变对PZT薄膜电热效应的影响。结果表明失配应变使得铁电材料展现出更多的相结构,面内剪切应变影响着面内极化方向的组合,且较强的电热效应一般存在于相界附近。当施加[001]电场时,在面内失配正应变的作用下,富含Ti的PZT薄膜在正交-单斜相界处有较强的正电热效应响应,而Ti含量较低的PZT薄膜在四方-单斜相界处有负电热现象的存在。当施加较大[100]取向的电场时,富含Ti的PZT薄膜在两个相界附近均有负电热效应的存在,而Ti含量较低的PZT薄膜在单斜-四方相界处产生更大的正电热效应。当施加[110]电场和[111]电场时,面内失配剪应变对薄膜电热效应响应有明显的改变,这是由于这两类电场同时存在面内[100]和[010]电场分量、以及面内失配剪应变决定了薄膜面内极化组合。(2)通过考虑失配应变的来源,研究了基底和薄膜厚度对Pb Ti O3(PTO)薄膜电热效应的影响。以Sr Ti O3和Mg O基底为例,计算获得了PTO薄膜所受的失配应变,结果发现生长在Sr Ti O3基底上的PTO薄膜主要受到压缩失配应变,长在Mg O基底上的PTO薄膜主要受到拉伸失配应变。当基底为Sr Ti O3时,较强的电热效应响应出现在四方-顺电相界附近,且随着PTO膜的增厚,其电热效应温变峰值往温度低的方向偏移;而基底为Mg O时,PTO膜展现出更丰富的相结构,其四方-正交、四方-单斜、四方-顺电、正交-单斜相界附近表现出优异的电热效应响应,并随着电场变化量的增大,PTO膜的电热效应响应也随之提升。
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