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基本信息

項(xiàng)目名稱：
人工復(fù)合鐵電多層膜的創(chuàng)新研究
小類：
能源化工
簡介：
人工復(fù)合薄膜可以改進(jìn)材料的性能甚至獲得單一材料不具有的新性能。由于聚合物的組分繁多，結(jié)構(gòu)多樣化，復(fù)合功能材料更具有花樣繁多的特點(diǎn)，預(yù)期從中可以發(fā)掘出更多的鐵電材料，從而開拓鐵電體物理學(xué)的研究領(lǐng)域，并開發(fā)新的應(yīng)用前景。研究人工復(fù)合薄膜的目的之一就是要提高薄膜材料的功能。從已經(jīng)獲得的研究成果來看，多層膜結(jié)構(gòu)已經(jīng)有效地提高了材料的多種性質(zhì)。
詳細(xì)介紹：
傳統(tǒng)的多層鐵電薄膜，不同材料之間是垂直于極化方向進(jìn)行復(fù)合的，由于鐵電薄膜的厚度一般只在數(shù)十納米到幾微米之間，相鄰異質(zhì)界面間的分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，尤其是在高溫環(huán)境下(熱釋電材料的工作溫區(qū)為鐵電材料的相變點(diǎn)附近)離子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，將會(huì)破壞多層膜的功能。針對這一情況，我們設(shè)計(jì)了一種新的模型，將多種不同的鐵電材料平行于極化方向進(jìn)行復(fù)合，由于薄膜的長度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于薄膜的厚度，這樣某種程度上便可以克服傳統(tǒng)多層膜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面存在的問題，極大地增強(qiáng)鐵電復(fù)合薄膜器件的工作穩(wěn)定性。同時(shí)在新的模型中通過改變多種復(fù)合材料的相變溫度、極化大小及復(fù)合方式，可以預(yù)見將產(chǎn)生很多新的特性。這種設(shè)計(jì)的復(fù)合薄膜也許能夠成為通常使用的多層膜的一種選擇。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

目的：人工復(fù)合薄膜可以改進(jìn)材料的性能甚至獲得單一材料不具有的新性能,開發(fā)人工復(fù)合薄膜的更多的優(yōu)良特性，解決多層膜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面問題，提高人工鐵電復(fù)合薄膜器件的工作穩(wěn)定性。 基本思路： 提出新型的復(fù)合鐵電薄膜理論模型，在GLD唯象理論的框架下，研究復(fù)合鐵電薄膜的新特性，探討提高鐵電薄膜器件的工作穩(wěn)定性及熱釋電性能的理論途徑，通過詳盡的數(shù)值計(jì)算和討論為依據(jù)，為實(shí)際應(yīng)用研究提供理論依據(jù)。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

科學(xué)性：傳統(tǒng)的多層鐵電薄膜，不同材料之間垂直于極化方向進(jìn)行復(fù)合，但鐵電薄膜的厚度一般在數(shù)十納米到幾微米之間，相鄰異質(zhì)界面間的分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，尤其是在高溫環(huán)境下分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，會(huì)破壞多層膜的功能。先進(jìn)性：由于薄膜的長度要遠(yuǎn)大于薄膜的厚度，這樣某種程度上可以克服傳統(tǒng)多層膜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面存在的問題，極大地增強(qiáng)鐵電復(fù)合薄膜器件的工作穩(wěn)定性。獨(dú)特性：設(shè)計(jì)新模型中，將多種不同的鐵電材料平行于極化方向進(jìn)行復(fù)合。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

我們設(shè)計(jì)了一種新的模型，將多種不同的鐵電材料平行于極化方向進(jìn)行復(fù)合，由于薄膜的長度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于薄膜的厚度，這樣某種程度上便可以克服傳統(tǒng)多層膜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面存在的問題，極大地增強(qiáng)鐵電復(fù)合薄膜器件的工作穩(wěn)定性。同時(shí)在新的模型中通過改變多種復(fù)合材料的相變溫度、極化大小及復(fù)合方式，可以預(yù)見將產(chǎn)生很多新的特性。這種設(shè)計(jì)的復(fù)合薄膜也許能夠成為通常使用的多層膜的一種選擇。

學(xué)術(shù)論文摘要

建立鐵電復(fù)合薄膜的理論模型，三種具有不同相變溫度的鐵電材料平行于于極化方向進(jìn)行復(fù)合。在 Ginzburg-Landau-Devonshire (GLD)唯象理論的框架下，引入局域分布函數(shù)描述不同材料間過渡層的性質(zhì)，通過改變?nèi)N不同鐵電材料的相變溫度、相對厚度以及復(fù)合方式，計(jì)算了鐵電多層膜內(nèi)部的極化強(qiáng)度分布、相變溫度及熱釋電系數(shù)。研究表明具有不同相變溫度的鐵電材料間的復(fù)合方式對鐵電薄膜的極化和熱釋電性質(zhì)有著重要的影響，出現(xiàn)了很多傳統(tǒng)復(fù)合薄膜沒有的新特性，其中三種不同材料復(fù)合而成的鐵電薄膜隨著溫度的變化出現(xiàn)了兩個(gè)熱釋電峰，這一特性在提高熱釋電器件的工作穩(wěn)定性方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

獲獎(jiǎng)情況

1.《人工復(fù)合鐵電薄膜的極化性質(zhì)研究》，吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010年第4期。 2.《人工復(fù)合鐵電薄膜的相變性質(zhì)研究》，沈陽化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011年第3期。 3.《人工復(fù)合鐵電多層膜熱釋電性質(zhì)的理論研究》，河北大學(xué)學(xué)報(bào)，待發(fā)表。 4.《不同復(fù)合方式下的人工復(fù)合鐵電薄膜的極化特性研究》，文章撰寫完畢，待提交。

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

參考文獻(xiàn)：[1]張旭，趙慶勛，李曉紅等. Ni-Al 底電極對偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物鐵電薄膜性能的影響.河北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010,10(1): 19-22. [2]王悅輝, 莊志強(qiáng). 鐵電薄膜材料的研究進(jìn)展. 現(xiàn)代技術(shù)陶瓷, 2002, 4: 19–22 [3]Wu Jiagang, Zhu Jiliang, Xiao Dingquan, et al. Double Hysteresis Loop in (Pb0.90La0.10)Ti0.975O3/Pb(Zr0.20Ti0.80)O3. Appl.Phys.Lett., 2007, 91: 212905-1–212905-3. [4]Wang Jie, Zhang Tongyi. Influence of Depolarization Field on Polarization States in Epitaxial Ferroelectric Thin Films with Nonequally Biaxial Misfit Strains. Phys. Rev.B., 2008, 77: 014404-1–014104-7. [5]Akai D, Yokawa M, yashi K H, et al. Ferroelectric properties of sol-gel delivered epitaxial Pb(Zrx,Ti1?x)O3 thin films on Si using epitaxial γ-Al2O3 Layers. Appl.Phys. Lett., 2005, 86: 202906–202908. [6]Chen Hui, Lü Tianquan, Chen Chuanwen, et al. Theoretical studies on the pyroelectric properties of two component composite ferroelectric thin film. Phys. Lett. A, 2006, 360: 357–361.

同類課題研究水平概述

實(shí)驗(yàn)方面： 關(guān)于鐵電多層復(fù)合薄膜的實(shí)驗(yàn)研究非常豐富。采用溶膠-凝膠法、脈沖激光沉積法、金屬有機(jī)物分解法等實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)成功地制備出很多高質(zhì)量鐵電多層膜。到目前為止，已經(jīng)能夠制備出的多層梯度鐵電薄膜主要有：BaxSr1-xTiO3 , Pb1-xCaxTiO3, (Pb,La)TiO3, Pb(Zr,Ti)O3, Pb1-3y/2(Zr0.4Ti0.6)O3, PbNb1-xTiO3, (Ba0.8Sr0.2)(Ti1-xZrx)O3。研究表明這些多層鐵電膜具有強(qiáng)的介電常數(shù)-電場依賴性，快的極化響應(yīng)速度，高擊穿場強(qiáng)，高的可調(diào)性，高熱釋電系數(shù)等一系列獨(dú)特的優(yōu)良性能，可廣泛應(yīng)用于微電子學(xué)、光電子學(xué)和微機(jī)械學(xué)等領(lǐng)域。 理論方面： 目前，關(guān)于鐵電薄膜的理論研究主要采用兩種方法：一是微觀的橫場伊辛模型，另一個(gè)是唯象的朗道-金茲堡格理論。采用橫場伊辛模型已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于鐵電多層膜、鐵電超晶格、鐵電雙層結(jié)構(gòu)的物理特性研究中。運(yùn)用朗道-金茲堡格理論研究鐵電多層膜時(shí)，通過引入分布函數(shù)描述異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面的過渡層、在自由能表達(dá)式中將不同材料的參數(shù)值進(jìn)行平均等方法也獲得了豐富的理論研究結(jié)果。 但目前實(shí)驗(yàn)和理論方面的研究仍主要集中于垂直于極化方向復(fù)合而成的鐵電多層膜中，關(guān)于平行極化方向復(fù)合而成的鐵電多層膜的研究還很少見。在此前研究中我們曾提出了平行于極化方向復(fù)合的鐵電雙層膜的理論模型，并取得了一定的研究成果。在此基礎(chǔ)上，我們將這一理論模型進(jìn)行新的改進(jìn)，研究相變溫度、極化大小及方向順次改變的多層復(fù)合鐵電膜，預(yù)期將產(chǎn)生更多更新的理論結(jié)果，為后期的實(shí)驗(yàn)研究提供理論參考依據(jù)。
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