石墨烯材料与铁酸铋薄膜复合方法的研究外文翻译资料

 2022-09-06 14:54:18

英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

文献一

Analysis of multi-domain ferroelectric switching in BiFeO3 thin film using phase-field method

采用相场模型来阐明BFO薄膜的极性转变过程。结果证实了具有能量倾向的多畴转变步骤的机理，揭示了可能的多铁性畴变机理。71。转变是三个转变步骤（71。转变109。转变180。转变）中占主导地位的。我们的实验结果将会为电场下铁电材料的应用提供重要的参考。

  1. 简介

在过去的数十年中，铁电氧化物在材料研究领域已经逐步获得越来越多的关注。由于其表现出许多令人感兴趣的性质，以至于可以在存储，制动器，传感器，多铁性设备。在单晶中，通常有两个或多个容易极化的方向共存。在不同的易极化方向施加电场，可以实现极性的转化。这个转变过程是复杂的，主要取决于外电场和极化的相互关系，以及不同电畴之间的相互作用及竞争等。电畴的方向以及极化的转变对铁电体的自身性质有重要影响。因此，对多易极化轴材料极化转换过程的研究对其应用有重要意义。

BFO，研究最多的铁电材料之一，在室温下同时具有铁电性和反铁磁性。低于居里温度时，由于BFO在赝立方晶胞的lt;1 1 1gt;c对角线方向自发极化，其晶体结构是菱形结构。从几何学来说，每个晶胞有四条对角线，每条对角线有两个可能的相反极化方向。因此，赝立方结构的BFO可能同时有八个可能的极化方向。这些可能的变形，在下图中展示，标记为展示了向上和向下的极化方向。在施加外加电场时，铁电体变形将极化方向变为电场倾向的方向，因此，一起多畴转变过程。在菱方晶体或薄膜中，畴变有三个可能的步骤，通常基于转换前后极化矢量的角度来命名。这三个步骤在下图中表示.如果对角线极化方向的一个部分是相反的，转化前后极化矢量的夹角大约是71。，这一转化步骤被命名为71。转化。当两个部分相反时，该角度是109。。当三个极化部分全部相反时，是180。转变。在铁电体材料中，71。转变和109。转变会改变材料的晶格结构，因此，改变紧密相连的磁矩方向。这种耦合因此通过铁电极性转变，实现了铁磁性反铁磁性顺序的调整。

在实验中，通常使用压电力显微镜和透射电子显微镜来研究铁电畴结构和电场诱导域转变。界面极化角度的统计学分析是基于压电力显微镜的电畴绘图结果，发现了71。电畴壁是占主导地位的。通过结合平面内和平面外的压电力数据，71。的旋转是最先的一步。从理论上讲，利用第一性原理来研究畴壁能量和结构，这些都是转换动力学的关键因素。相场法也会用于研究铁电BFO薄膜的畴变行为。Wang等人系统地研究了在电场作用或者压力场作用下，从立方晶系到四方晶系的转变过程中的极性转变。Ashraf和Salahuddin开发拓展了一种微尺度相场模型，以研究在电场和力学边界条件下多铁性BFO的铁电畴。

虽然在多铁性薄膜的畴形态和转变行为的实验和理论计算研究很多，但是在多畴转变动力学的基础物理学研究还比较缺乏。该文主要介绍在平面外施加外加电场作用下，BFO外延生长薄膜的多畴变过程及转变步骤相场研究。本文剩余部分的行文架构是：第二部分介绍相场模型和BFO的主要参数。第三部分介绍电场诱导畴变的特点以及不同的体积分数下随着时间相应的过程，以及不同类型外加电场的影响，包括静态电场和随时间变化的电场。第四部分总结该文以及做出结论。

  1. 相场模型

在当前的相场模型，铁电畴通过局部铁电极化矢量P =（P1，P2，P3）的空间分布来描述，Pi（i=1,2,3）代表每个轴各自的组成部分。可通过以下半隐式傅里叶波谱法解解Ginzburg–Landau等式

，

来得到畴结构随时间的变化。L是与畴转换相关的运动鞋系数，F表示多畴铁电薄膜的完全自由能，

Fbulk=是体积自由能，Fbulk可用极化分量的四次方展开式表述：

alpha;1、alpha;11和alpha;12 是朗道系数，alpha;1与转变温度有关，磁化系数基于居里外斯定律。

Fgrad 是梯度能量，代表着沿极化梯度穿过畴壁时产生的能量。表示为：

G11是梯度能量系数，。

Felastic 是弹性能，可表示为：

Cijkl 代表弹性刚度张量，eij是弹性应变，，εij 是指与本来的顺电相相比总的体积应变，ε0ij表示通过自发极化诱导的无压力应变。总应变εij 和弹性应力可以通过解力学平衡方程求得。

应变计算的细节在引文25中详细介绍了。

Felec 是静电能，，E是与电势相关的电场，，εb 是背景介电损耗常数。可以通过解静电平衡方程得到电势和电场场强。

为了研究电畴结构，如下图所示，我们建立了在基底上外延生长的BFO模型。沿着z轴方向向薄膜垂直施加以匀强电场，在下图中展示了薄膜-基底模型，沿着X1轴和X2轴施加连续的边界条件。假设薄膜的上表面是无压力的，下表面受到基底作用。畴结构的应变作用以及BFO薄膜的自发极化先前有过报道，所以我们主要将精力集中在外部电池对多畴转变的影响。

在模拟中，离散尺寸为128单位*128单位*32单位，一个单位为一个格子的尺寸。格子的尺寸与真实尺寸相关，通过畴壁能的信息可以得出。在过去的工作中，一个单位尺寸被设定在1nm，因此在模拟中薄膜的厚度是32nm，选择温度为298K。需要在模拟中用到来计算BFO薄膜能量的材料参数有：alpha;1=4.9*（T-1103）*105 C-2m2N, alpha;11=6.5*108 C-4m6N, alpha;12=1.0*108 C-4m6N,Q11=0.032 C-2m4, Q12=-0.016 C-2m4, Q44=0.02 C-2m4,,c11=302GPa，c12=162GPa，c44=68GPa，T为开尔文温度。

  1. 电场诱导的铁电体多畴转变

为了对BFO薄膜的电场诱导的铁电体多畴转变进行全面的分析，我们设置了两个情景，一个是使用静电场，另一个是使用随时间变化的动态电场。

    1. 静电场

我们讨论了BFO薄膜在一个500kV/cm均匀电场下从初始多畴状态的畴变，我们通过在薄膜的上表面施加一个稳态电势来实现，这个电势的数值是通过以前实验来确定的。最初转变的畴通过展开铁电材料的TDGL方程，从初始顺电相用2000个时间步。需要指出的是，菱方BFO薄膜有8个等效的极化方向。然而，在此次的工作中，八个畴变形的每一个变形分数并不等同于最终的状态。原因应该归结于此次模拟的尺寸限制。

在下图中所示，一旦施加稳态电偏压，四个有电场倾向的电畴的体积分数显著增长，四个无电场倾向的电畴体积分数显著下降至几乎为0。4000步之后，畴变速率下降，接近最终状态。

为了描述转变的最终状态，我们使用最近最多100步以内的转变极性方向的格点数量来定义转变速率。考虑到计算的效率以及演变的稳定性，我们选取了这个时间间隔。在下图中展示了在稳态电场下，散步转换步骤转换速率的发展。一旦在2000步的时候施加电场，整个转换过程在非常短的时间内发生。与此同时，71。和109。转变的数量存在一个峰值，但71。旋转尤为明显。就像在下图中展示的一样，71。转变在多畴转变中占主导地位。另一方面来讲，在电场施加前后180。转变几乎没有发现。

3.2 随时间变化的电场

为了更好的理解铁电多畴转变过程，并且分析影响转变的因素，我们讨论了在两个相反方向线性的改变电场的两个独立实验。与稳态电场的实验结果相比，在线性变化电场的极化转变速率更加平滑。

下图中展示了变化电场下的多畴转变。与稳态电场下的实验结果相类似，在转变过程中，71。转变占主导地位。对下面两个图进行比较，虽然电场方向相反，但是薄膜中多畴转变行为是相似的。对两种情形而言，具有电场倾向的，极性增加，不具有电场倾向的，极性减小。需要指出的是，最终状态下每一个等效变形的容积率都存在差异。引起这种现象的原因是在过程中有限尺寸中的变异数量是有限的。最大变体的方向取决于初始状态。在模拟中，我们通过改变初始的随机噪声因子获得了不同的变体分布。虽然初始条件不同造成了变体分布不同，但是沿着任一轴最大变体的分布概率相等。在初始沿四个简易轴对称性的施加电场，在2000时间步时获得畴分布，我们最终获得不同的畴变过程。然而在所有情况下，71。转变都是主要存在的，转变速率与施加电场相比，其对初始条件是敏感的。

除畴的方向之外，我们也研究了电场增加速率对对转变行为的影响。下图展示了三个转变步骤中八个变体和极性转变速率的体积分数的暂时变化过程。在这些情况下，电场增长到最大的不同的增长速率在下图中会有展示。用10000个时间步的到最大数值500kV/cm。以及用5000个时间步和2500个时间步的。与变体演变部分相比，可以观察到，虽然电场大小已经停止增长，部分变体仍在变化，这些变化可在下图中具有最快增长速率的情况下十分明显地观察到。从另一方面来讲，在下图中的极性转变速率，71。转变是极性转变过程中最开始进行的。更低增长速率的情况在下图中依然有展示，当电场增加到最大时，转变也接近停止。在高转变速率的情况下，在相同条件下的转变是剧烈的，意味着极性转变不能跟上电场增加的速率。这种延迟与电场增加的速率是成正比的，。研究结果表明，在多铁性畴变中，选择合适的电场增长速率也是正常的。

  1. 结论

在该研究中，使用相场模拟来研究菱方BFO薄膜的电场诱导的多铁性多畴转变过程。稳态电势的施加会导致在最开始施加电场时8个变体中突然的比例变化。八个变体的体积分数和三个步骤的转变速率的的详细的时间演化在下面展示。结果表明，在垂直电场的存在下，71。转变是占主导地位的，180。转变是几乎观察不到的，与实验结果契合度很好。此外，在变化速率不同变化电场条件下极性转变的结果表明，变化速率越快的电场会导致变化的延迟。

文献二

Photovoltaic enhancement based on improvement of ferroelectric

property and band gap in Ti-doped bismuth ferrite thin films

摘要：掺钛铁酸铋薄膜通过溶胶-凝胶旋转涂布法制得。钛掺杂对于物质微观结构、光学、渗漏、铁电以及光伏性能的影响已经有了系统的研究，结果表明钛含量为0-8at.%的铁酸铋薄膜为菱形钙钛矿结构。钛的添加可抑制晶粒生长，增加厚度均匀性，减小铁酸铋薄膜的带隙，一定含量的钛还可有效减少铁酸铋薄膜的泄漏电流，且其渗漏机制也已得到研究。钛的加入还会增加薄膜的剩余极化。随着钛含量的增多，短路光电流密度先减后增，而开路电压先增后减。且随钛含量增加，掺钛铁酸铋薄膜的能量转化效率提高，这是由于钛的加入使得其剩余极化增多而带隙减小。

  1. 概论

铁电体光伏效应于约一世纪前在一系列非中心对称的铁电材料中

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[146753]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章