90°铁电畴的高频响应和多铁RMnO3畴结构的相场模拟

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畴壁是一种典型的拓扑缺陷,是离散对称性自发破缺的结果。在凝聚态物理中,系统对称性的变化通常伴随物理性质的改变和新相的产生。因此研究畴结构和畴壁动力学是加深对材料的理解和进一步调控材料性能的重要途径。  在铁电系统中,畴结构可以简单通过电镜进行观察。但对于高频外场驱动下畴壁的运动,我们只能通过对样品整体的介电响应进行测量来间接表征。而实际的畴壁和畴壁运动对局域介电响应的贡献,我们很难通过实验手段进行直接研究。另一方面,现在新兴的多铁材料,其磁序和极化的强耦合带来了复杂的畴结构。但由于常见单相多铁材料的相变点很低而且极化也很弱,所以常规的方法无法直接观察和研究其内部的畴结构。唯像的相场方法是一个十分有效的介观尺度模拟方法,广泛用于研究很多类型材料的微结构演化。相场模型中假设两相之间的过渡是连续的,不存在奇点。由于没有对畴壁形态做任何进一步假设,因此相场模型适用于任何材料体系,而不用考虑实际的相互作用。本论文主要运用铁电相场模型研究不同体系中的畴结构和畴对体系物理性质的影响。主要介绍了90°铁电畴在高频外场下的响应和对螺旋序多铁材料中多铁畴的研究。整个论文结构如下:  第一章概述了铁电相场模型和我们使用的模拟方法。运用唯像模型研究铁电系统至今已有很多年,本章从最基本的铁电相变理论开始,逐项介绍了铁电相场模型中各能量项的来源和物理图像,并介绍了各项的数值处理方法。之后阐述了模拟中使用的两种演化方法:Monte Carlo方法和TDGL方程。最后介绍了数值计算中常用的两种并行计算方法。  第二章研究了90°铁电畴壁的高频响应。发展了一套用铁电相场模拟来计算系统交变介电常数和介电常数实空间分布的方法。通过这个方法研究了不同外场方向下90°铁电畴系统中介电响应的空间各向异性。我们发现,由于外场驱动下的畴壁运动,畴壁附近有较高介电响应。我们进一步研究了外加应变对畴壁运动和介电响应的影响。我们的模拟显示拉伸应变抑制畴壁运动因而减少系统介电响应,而轻微的压应变使系统介电响应增加。  第三章研究了自旋螺旋序多铁材料中的畴结构。提出了自旋螺旋序中的多铁相场模型。研究了薄膜样品中的多铁畴结构,发现了一种180°头对头尾对尾的铁电畴结构。并模拟了这种多铁畴系统在外电场和磁场作用下响应。在三维系统中,我们模拟了不同自旋平面的多铁畴结构。最后我们从极化的磁序来源角度解释了自旋螺旋序多铁畴的成因。  第四章是总结和展望。
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