弛豫铁电单晶的研究进展—压电效应的起源研究

由于具有优异的压电性能,弛豫铁电单晶自上世纪90年代问世以来即成为了铁电压电领域研究的热点材料,并被认为是研发下一代高性能换能器、传感器等器件的重要压电材料。弛豫铁电单晶不但压电常数可达2500 pC/N,约为软性Pb(Zr,Ti)O3(PZT)陶瓷的5倍,而且其电致应变滞后也远小于软性PZT陶瓷。因此,弛豫铁电单晶高压电性能的产生机理一直是铁电压电领域的研究热点。本文主要介绍了弛豫铁电单晶材料在近些年的发展,从本征压电效应(晶格压电畸变)的角度归纳总结了弛豫铁电单晶高压电效应的产生机理,着重探讨了弛豫铁电单晶的重要特点—剪切压电效应。在本征效应的基础上,本文对弛豫铁电单晶压电效应与晶体组分、切向以及温度的关系进行了分析。需要指出的是,目前基于本征角度对弛豫铁电单晶高压电效应的分析仍处于定性的阶段,因而还不能完全排除一些可能导致弛豫铁电单晶高压电效应的非本征物理机制。     

(Pb0.85Sm0.10)(Ti0.98Mn0.02)O3压电陶瓷超高各向异性机电耦合性能的X射线衍射研究

本文用X射线衍射技术研究了具有典型超高各向异性机电耦合性能的Sm改性PbTiO₃压电陶瓷。通过引入面网取向密度指数ρ_(hkl)和建立90°电畴转向畴壁平移模型,就改性PbTiO₃陶瓷圆片经不同电压极化后材料内部电畴结构变化作了定量的分析与讨论。结果表明,在改性PbTiO₃陶瓷结构中,90°畴壁空间取向分布具有高度的择优性;极化处理使材料中90°电畴壁显著平移,但其取向分布变化甚少;材料的纵向机电耦合系数K_t与(002)面网取向密度指数增量△ρ₍₀₀₂₎具有基本平行的电场依赖关系。 关键词：     

Ruddlesden-Popper结构杂化非本征铁电体及其多铁性

正杂化非本征铁电性是指在具有钙钛矿结构单元的金属氧化物中由氧八面体面内旋转和面外倾侧耦合诱导出的二阶铁电序,其有望在室温强磁电耦合多铁性材料中获得重要应用,并将极大地拓展铁电体物理学的内涵和外延.本文在阐述杂化非本征铁电性物理起源及其内禀电控磁性的基础上,总结了有关Ruddlesden-Popper结构杂化非本征铁电体及多铁性的主要研究进展与面临的挑战,并展望了发展方向.     

铁电马氏体中的电致形状记忆效应

与温度驱动形状记忆的缓慢响应及磁场驱动形状记忆的巨大体积相比较,电场驱动形状记忆具有响应快和体积小的优点.但是,基于传统反压电效应的电场驱动形状记忆由于变形量较小而收到限制.本研究表明,通过运用基于点缺陷短程序对称性遵循的普适性原理的可逆畴翻转机制,可以在铁电马氏体中获得巨大的电致形状记忆效应;其产生的变形量理论上是反压电效应所产生变形量的几十倍.采用原位畴观察实验给出了可逆畴翻转的直接证据.并且,在铁电多晶陶瓷中也获得了这种大的电致形状记忆效应.这种效应在很宽的频率范围内都很稳定,在疲劳测试中也显示了很好的可靠性.运用这一新的电致形状效应有望制备出新一代非线性驱动器材料.     

铁电马氏体中的电致形状记忆效应

与温度驱动形状记忆的缓慢响应及磁场驱动形状记忆的巨大体积相比较，电场驱动形状记忆具有响应快和体积小的优点。但是，基于传统反压电效应的电场驱动形状记忆由于变形量较小而收到限制。本研究表明，通过运用基于点缺陷短程序对称性遵循的普适性原理的可逆畴翻转机制，可以在铁电马氏体中获得巨大的电致形状记忆效应；其产生的变形量理论上是反压电效应所产生变形量的几十倍。采用原位畴观察实验给出了可逆畴翻转的直接证据。并且，在铁电多晶陶瓷中也获得了这种大的电致形状记忆效应。这种效应在很宽的频率范围内都很稳定，在疲劳测试中也显示了很好的可靠性。运用这一新的电致形状效应有望制备出新一代非线性驱动器材料。     

磁致伸缩/压电叠层复合材料磁-机-电耦合系数分析

分析和推导了磁致伸缩/压电叠层复合材料的机-电耦合系数、磁-机耦合系数及磁-电耦合系数与磁致伸缩层和压电层性能参数及几何参数之间的关系.进一步分析表明,叠层复合材料低频时的磁电电压系数正比于磁-电耦合系数,谐振时的磁电电压系数正比于磁-电耦合系数与机械品质因素的乘积;磁电电压系数还与复合结构的本征阻抗有关,本征阻抗越大磁电电压系数越大.通过性能差异较大的Terfenol-D和FeNi基弹性合金分别与压电材料PZT5-H和PZT8相互组合构成复合材料的比较分析,进一步阐明了磁电复合材料磁-电耦合系数和机械品 关键词： 磁电效应 磁-机-电耦合系数 磁致伸缩材料 压电材料     

(Pb_(0.85)Sm_(0.10))(Ti_(0.98)Mn_(0.02))O_3压电陶瓷超高各向异性机电耦合性能的X射线衍射研究

本文用X射线衍射技术研究了具有典型超高各向异性机电耦合性能的Sm改性PbTiO_3压电陶瓷。通过引入面网取向密度指数ρ_(hkl)和建立90°电畴转向畴壁平移模型,就改性PbTiO_3陶瓷圆片经不同电压极化后材料内部电畴结构变化作了定量的分析与讨论。结果表明,在改性PbTiO_3陶瓷结构中,90°畴壁空间取向分布具有高度的择优性;极化处理使材料中90°电畴壁显著平移,但其取向分布变化甚少;材料的纵向机电耦合系数K_1与(002)面网取向密度指数增量△ρ_(002)具有基本平行的电场依赖关系。     

铁电材料中的极性拓扑结构

调控磁性材料中的自旋拓扑结构(流量闭合型、涡旋、半子(meron)、斯格明子(skyrmion)等自旋组态)可以改进材料的磁性和电磁性能,因而引起了学术界的广泛关注.最近研究表明,在尺寸效应、界面耦合及其相互作用、外延应变等作用下,铁电材料中也会出现自发的极性拓扑畴结构,同时表现出新的铁电相结构和丰富的物理性能.本文总结了铁电纳米结构、铁电薄膜和铁电超晶格中的极性拓扑畴结构类型及其形成机理,分析了这些极性拓扑结构与铁电、压电、介电、光电性能之间的关联,并分别讨论了铁电材料中极性拓扑结构的整体拓扑相变调控和单个极性拓扑结构的外场调控,最后展望了极性拓扑结构未来的可能研究方向.     

从x射线粉末数据获得非等效本征重叠衍射的合理衍射强度

提出一种非等效本征重叠衍射强度合理分配的方法——位置待定的原子强度贡献迭代分配法(IDM-UAIC),并用已知结构的模拟粉末衍射数据进行了验证.IDM-UAIC利用可靠的晶体学和结构化学知识，交替进行结构解析和强度分离.结果表明：如果可以通过等效本征重叠足够精确地确定总体散射能力的30%，结构就可能解出.对于55个（不含三角晶系用菱形单胞表示的5种空间群）强度均分不合理的空间群，IDM-UAIC具有明显的优越性；而对于强度可均分的空间群，IDM-UAIC与简单均分法等效. 关键词： 非等效本征重叠 衍射强度 原子强度贡献迭代分配法     

BaTiO_3/SrTiO_3(1∶1)有序超晶格的第一性原理研究

用第一性原理计算研究沿[110]和[111]方向有序的Ba Ti O3/Sr Ti O3(BTO/STO)1∶1超晶格的晶格动力学、介电和压电性能.对两种有序BTO/STO超晶格从最高对称性的结构出发计算布里渊区中心声子,通过冻结不稳定声子得到畸变结构,进一步冻结不稳定声子得到基态结构.两种有序BTO/STO超晶格的基态结构分别是Pm和R3m结构.把声子介电张量和内应变压电张量分解成单个离子和单个声子的贡献.根据离子对介电和压电张量各分量的贡献可知Ti和O离子对介电和压电有比较大的贡献.声子对介电和压电张量的贡献的分析果表明频率较低的声子有主要的贡献.特别是沿[110]方向有序BTO/STO超晶格中ε11主要来自于频率为49 cm-1的软模A'声子的贡献.     

极化电压对聚丙烯压电驻极体膜压电性能的影响

压电驻极体是具有压电效应的微孔结构空间电荷驻极体材料,其压电性能与材料的微结构和空间电荷密切相关.本文首先利用压缩气体膨化工艺对聚丙烯(PP)的微结构进行改性,然后利用接触极化方法,研究了极化电压与PP膜空间电荷密度之间的关系,及其对压电性能的影响.结果表明对于极化前厚度为100μm的PP膜,其内部建立有序空间电荷分布的阈值极化电压为2 kV;一旦有序空间电荷建立起来,PP膜即具有压电效应.随着极化电压的提高,PP膜的空间电荷密度逐步增大,压电效应显著增强.当峰值电压为8 kV时,PP膜电极上的电荷密度、准静态压电系数和品质因数FOMv(d33·g33)分别为0.56 mC/m2,379 pC/N和8.6(GPa)-1.PP压电驻极体膜的FOMv比聚偏氟乙烯(PVDF)铁电聚合物膜高2个量级以上,且声阻抗非常低(～0.025 MRayl),因此该压电膜在超声波发射-接收系统或脉冲-回波系统中具有明显的优势.     

基于压电效应的光电子集成技术研究进展（特邀）

压电效应是一种实现电能与机械能之间相互转换的重要物理现象。随着集成光电子技术和压电薄膜材料制备技术的日益成熟,压电效应在光电子集成芯片领域引起广泛的研究。在压电效应的作用下,外部电场可以操控薄膜材料的形变,从而改变折射率,实现光电调谐和声光调制。本文首先介绍常见压电薄膜材料及其研究进展,随后回顾和探讨基于压电效应的光电子集成器件的研究进展。最后,对压电调谐器件和声光调制器的应用进行介绍和展望,分析其大规模应用面临的挑战和问题。     

外电场下应变量子阱中电子与空穴的本征态

考虑自发与压电极化引起的内建电场,自由电子-空穴气屏蔽效应和外加电场,基于常微分数值计算,自洽求解电子与空穴的薛定谔方程和泊松方程以获得基态能级。以典型的GaN/A lxGa1-xN纤锌矿氮化物应变量子阱为例,通过数值求解,得到电子与空穴的本征基态能和相应本征波函数。计算结果表明:沿量子阱生长方向所施加的外加电场将抵消阱中内建电场的作用,阱结构的弯曲程度略显平缓,使电子(空穴)本征波函数逆(顺)着外电场方向移动,且均向阱中心移动,波峰峰值增加,隧穿几率减小;在固定外电场情况下,电子与空穴基态能级随阱宽的增加而减小,随掺杂组分的增加而增加,表明外加电场对内建电场有所削弱以及量子限制作用对电子(空穴)基态能有显著的影响。     

高温超导本征结的制备工艺和特性

自从本征Josephson效应发现以来,由于其涉及到高温超导材料和结构、Josephson结动力学、高频应用等多个领域,本征结的研究一直是国际上研究的热点之一.我们采用低能离子刻蚀,实现了每分钟和单结本征结厚度相当的刻蚀速率,由BSCCO单晶成功的实现了含有单个或少数几个结的本征Josephson结的制备,并用四端子方法测量其低温下的I-V,Ic-T特性.通过反复实验研究,提高本征结制备的成功率及可重复性,完善制备工艺,并进一步探讨本征结的特性.     

具有部分本征GaN帽层新型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管特性分析

为了优化传统Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistors,HEMTs)器件的表面电场,提高击穿电压,本文提出了一种具有部分本征GaN帽层的新型Al GaN/GaN HEMTs器件结构.新型结构通过在Al GaN势垒层顶部、栅电极到漏电极的漂移区之间引入部分本征GaN帽层,由于本征GaN帽层和Al GaN势垒层界面处的极化效应,降低了沟道二维电子气(two dimensional electron gas,2DEG)的浓度,形成了栅边缘低浓度2DEG区域,使得沟道2DEG浓度分区,由均匀分布变为阶梯分布.通过调制沟道2DEG的浓度分布,从而调制了Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场.利用电场调制效应,产生了新的电场峰,且有效降低了栅边缘的高峰电场,Al GaN/GaN HEMTs器件的表面电场分布更加均匀.利用ISE-TCAD软件仿真分析得出:通过设计一定厚度和长度的本征GaN帽层,Al GaN/GaN HEMTs器件的击穿电压从传统结构的427 V提高到新型结构的960 V.由于沟道2DEG浓度减小,沟道电阻增加,使得新型Al GaN/GaN HEMTs器件的最大输出电流减小了9.2%,截止频率几乎保持不变,而最大振荡频率提高了12%.     

几种压电陶瓷在极化时声发射特性研究

压电陶瓷是多畴压电材料,在极化之前从宏观上看并不显压电性;通过在直流电场中的极化可以使其电畴作定向排列,从而使陶瓷显压电性.采用声发射技术监测压电陶瓷极化时有无声发射产生和声发射的情况,可以掌握压电陶瓷在极化过程中电畴的动态特性;这对于研究压电陶瓷的电畴结构和极化工艺将是有益的。     

压电诱导型声光调制器中的电光效应

本文通过解压电效应的基本方程,应用一维近似理论,结合边界条件,得出压电共振晶体中电场是不均匀的,它将导致“电光栅”的产生。“电光栅”与“声光栅”可以相互耦合,产生“高次光栅”。压电诱导声光(PESD)调制器中的一次电光效应更有助于对入射光束的衍射和调制。实验结果证实本文结论。 关键词：     

面向空耦电声换能器应用的高性能FEP/PTFE复合膜压电驻极体

压电驻极体(也称为铁电驻极体)是一类具有强压电效应的微孔结构驻极体材料,具有柔韧、低密度、低特性声阻抗等特征,是制备柔性空气耦合声电换能器的理想材料.针对器件对高灵敏度和高温工作环境的应用需求,本文报道高性能氟化乙丙烯/聚四氟乙烯(FEP/PTFE)复合膜压电驻极体的制备和性能表征.研究结果表明,FEP/PTFE膜的特...     

量子自旋波本征值及易轴型各向异性对其的影响

本文考虑体单轴各向异性利用界面重参数化方法从理论上严格推导了两层异质铁磁质中量子自旋波的本征值,并模拟计算了简立方晶格结构 (100) 第一布里渊区的能带结构,特别研究了易轴型体单轴各向异性对本征值的影响.结果发现在这样的体系中存在体模、禁闭模和界面模;各种本征模与体交换作用、界面交换作用、晶格自旋、原子层数有关,而且各向异性直接影响各种本征模的存在条件. 关键词： 铁磁薄膜 自旋波 各向异性     

球形无规键无规场模型研究弛豫铁电体极化效应

基于球形无规键无规场模型和电场作用下弛豫铁电体微畴-宏畴机理,利用模糊畴界观点以及电场对极化的分数维效应,分析了电场对畴的作用机理.研究结果表明:电场对畴的诱导偶极子增量的极化效应导致了电滞回线的不饱和及相关的大的电致伸缩效应;而畴的偶极子增量耦合时结合能的变化对低电场的电滞回线略有影响,但基本不会改变高电场时的极化状态.初始微畴大小对电滞回线非常重要,细小的微畴会导致细长的电滞回线及电场与电致伸缩良好的线性关系.