铁电体极化畴与力电耦合性能的分子动力学模拟

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1、分类号学号D200877271学校代码10487密级公开博士学位论文铁电体极化畴与力电耦合性能的分子动力学模拟学位申请人:田晓宝学科专业:固体力学指导教师:杨新华教授答辩日期:2013.07.12万方数据万方数据ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringAtomisticsimulationofdomainstructuresandelectromechanicalcouplingrespons

2、esinferroelectricPh.D.Candidate:TianXiaobaoMajor:SolidMechanicsSupervisor:Prof.YangXinhuaHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaJune,2013万方数据万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方

3、式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于保密□，在_____年解密后适用本授权书。不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月万方数据万方数据华中科技大学博士学位论文摘要

4、近年来，微纳米器件呈现出蓬勃发展之势。铁电材料作为一种非常重要的功能材料，因其具有良好的力、热、电耦合性能而广泛应用于功能器件中。随着铁电器件特征尺寸减小至纳米尺度，铁电材料力电耦合响应呈现出明显与传统宏观尺度情况不一样的现象，这是因为铁电体内畴结构在纳米尺度会呈现一些特殊的构型和演化模式。这对微纳米铁电器件的设计和应用提出了严峻的挑战，纳米尺度下铁电畴结构的演化已成为微纳米铁电器件设计和应用中必须面对的重要问题。薄膜是微纳米器件的一种常见形式，因此研究纳米铁电薄膜中畴结构在机械载荷作用下的演化和力电耦合响应具有重要的科学和工程意义。本文提出了基于分子动力学

5、方法的力电耦合计算框架，建立了纳米尺度铁电体介电常数的计算模型，模拟了纳米尺度铁电畴在机械载荷作用下的演变行为，揭示了纳米尺度漩涡和反漩涡构型特性和相互作用关系，探讨了漩涡畴和反漩涡畴的萌生、运动、碰撞和湮灭行为，讨论了铁电畴演化的应变率效应。本文取得的主要创新性成果包括：1、提出了适用于钙钛矿类晶体介电常数计算的基于洛伦兹有效电场模型的分子动力学方法，利用洛伦兹有效电场模型推导了钙钛矿类铁电材料介电常数的计算公式，采用分子动力学方法计算模型结构参数，进而得到纳米尺度钙钛矿类晶体的介电常数。作为实例，计算了在不同温度条件下钛酸钡单晶纳米线的介电常数，并与实验

6、结果在整个相变温度区间进行了比较，验证了该方法的合理性。2、采用基于Shell模型的分子动力学方法，模拟了在常应变率的单轴压缩位移载荷作用下，180°纳米极化畴结构的演化过程，发现在压缩变形从零发展到2%的过程中，极化畴结构的演化明显可以划分为三个阶段：当应变达到0.05%时，初始180°畴结构演变成四个首尾相接的90°畴，并形成封闭型漩涡；当应变处于0.22%到1%之间时，进一步发展成沿z轴方向的漩涡-反漩涡-漩涡结构和沿y轴方向的漩涡组阵列；当应变达到1%时，漩涡畴消失，形成垂直于z方向的180°畴壁结构。3、研究了在不同应变率的位移加载条件下铁电单晶的

7、力电耦合响应，发现铁电单晶力电耦合响应在应变率小于0.5ns-1的范围内存在明显的应变率依赖性、形成稳定畴结构的应变与加载应变率呈半对数线性关系、稳定畴随应变率增大而依次发生由内部向表面的局部180°翻转、畴壁数目也随应变率增大而增大、而当应变率大于I万方数据华中科技大学博士学位论文0.5ns-1时应变率的改变对畴结构的影响不明显。4、模拟了在常应变率的单轴压缩位移载荷作用下正反漩涡对的萌生、运动、碰撞和湮灭的全过程，估算了漩涡和反漩涡的运动速度，漩涡与反漩涡发生碰撞、湮灭及其后系统平衡所需的时间。根据纳米尺度粒子之间的相互作用关系，推导了晶格极化矢量间的相

8、互作用，进一步得到了同向漩涡对、反向漩涡对、正反漩涡