双势阱铁电体的场致应变效应

基于德文希尔-朗道的唯象理论,用统计方法研究了四方相双势阱铁电体在电场作用下偶极子的极化和90°翻转产生的电滞回线和电致伸缩效应,用数值模拟的方法探讨了材料参量、偶极子耦合系数和温度对电滞回线和电致伸缩的影响规律,得到了有意义的结论:材料参量α_0/β越大,电滞回线的高度越高及蝶形回线电致伸缩的底部越宽;偶极子间的交换耦合系数越大,应变的蝶形回线越宽;温度越接近居里点,应变的两条回线在交点处分离得越开,证明了经验规律:电致伸缩系数与居里-外斯常数C的乘积为常数;上述规律能够合理地解释电致伸缩的相关实验结果.     

反铁电体的极化与介电效应

基于Kittel的反铁电体唯象理论,从正和反电场方向双吉布斯自由能的角度出发,导出了反铁电耦合条件下电场对偶极子转向和对正反极化强度的影响规律,最终得到了电场相关的反铁电体的电滞回线和介电常数.数值模拟的结论是:在一个电场周期内电滞回线呈现双回线;在半个电场周期内,介电常数呈现双峰.当改变反铁电耦合强度和温度时,得到的电滞回线与介电常数的变化规律与报道的实验结果相吻合.反铁电耦合强度的增强或温度的降低,都会使反铁电性增强,表现为反铁电相到铁电相的临界转变电场增大,并在一定条件下消失,即因极高的临界转变电场使反铁电回线转变为细长的铁电型电滞回线.深入分析表明,该回线实质上为强反铁电体的特性,而并非表面所呈现的铁电相.     

高电场下弛豫铁电体的场致效应

弛豫铁电体在热释电、介电、电场调制微波器件和电致伸缩器件方面有着广泛的应用.这些应用均涉及电场的作用.因电场会导致极化强度增大,并连续地延伸到顺电相,从而产生了电场诱导效应.用弯曲近似法对极化强度在电场作用下随温度的连续变化做近似,得到了介电系数峰值在高场下随电场2/3次方的变化规律.与介电峰在电场作用下移动的实验结果基本一致.理论数值模拟发现:存在一个与热力学参量相关的极化温度系数,其值越大,场致介电移峰效应越小,且热释电系数越大;反之,如果场致介电移峰效应越大,电场调制微波器件的介电可调性及可调性的温度稳定性会越好.上述研究结果对掺杂改性研究微波器件的介电可调性和热释电性有一定的参考作用.     

外电场作用下铁电畴极化反转机制的相场法模拟

采用相场方法模拟了铁电畴的形成及外电场作用下的极化反转,探讨了不同外电场作用下的极化反转机制.结果表明:无外电场作用下,铁电畴的形成是一个形核和长大的过程,系统达到稳定时具有4种铁电畴,其形貌均为平行四边形,其中180°反向畴沿-45°方向规则分布,90°反向畴呈阶梯状规则分布;恒定电场作用下,铁电畴产生90°和180°极化反转,极化方向有利的铁电畴长大,系统达到稳定时,平均极化增加,且恒定电场越大,平均极化越大;交变电场作用下,铁电畴产生极化反转,形成电滞回线和蝶形回线,电场频率或者强度越大,矫顽电场和剩余极化越大,温度越高,矫顽电场和剩余极化越小.     

相界附近Pb(Zn1/3Nb2/3)O3PbZrO3PbTiO3固溶体的介电性能

通过对相界附近的Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbZrO3-PbTiO3(PZN-PZ-PT)固溶体的介电性能研究发现,在介电峰附近所有样品的介电-温度关系曲线都具有弛豫性相变特征;Zr/Ti比的变化对介电温度特性曲线有重要影响,随着Zr/Ti比的增加,其弛豫程度明显增加;菱方相区的样品在测量温度范围内都呈现典型的弛豫型铁电体特征;对四方相区的样品而言,在低于介电峰值温度的某一临界温度时,发生了正常铁电体-弛豫铁电体自发相变,利用热激发电流证明了该正常铁电体-弛豫铁电体自发相变的存在.透射电子显微分析表明四方相样品具有典型的90°宏畴形貌,而菱方相区的样品则具有纳米尺寸的微畴形貌.     

相界附近Pb（Zn1／3Nb2／3）O3—PbZrO3—PbTiO3固溶体的介电性能

通过对相界附近的Pb(Zn1/3 Nb2 /3 )O3 PbZrO3 PbTiO3 (PZN PZ PT)固溶体的介电性能研究发现 ,在介电峰附近所有样品的介电 温度关系曲线都具有弛豫性相变特征 ;Zr/Ti比的变化对介电温度特性曲线有重要影响 ,随着Zr/Ti比的增加 ,其弛豫程度明显增加 ;菱方相区的样品在测量温度范围内都呈现典型的弛豫型铁电体特征 ;对四方相区的样品而言 ,在低于介电峰值温度的某一临界温度时 ,发生了正常铁电体 弛豫铁电体自发相变 ,利用热激发电流证明了该正常铁电体 弛豫铁电体自发相变的存在 .透射电子显微分析表明四方相样品具有典型的 90°宏畴形貌 ,而菱方相区的样品则具有纳米尺寸的微畴形貌 .     

复合钙钛矿型弛豫铁电体的介电机理研究

通过分析复合钙钛矿型弛豫铁电体中极化微区之间相互作用的性质，建立了等效相互作用的参数服从Ｇａｕｓｓ分布的物理模型。利用平衡态和准平衡态中的Ｍｏｎｔｅ Ｃａｒｌｏ模拟，研究了这类材料介电特性产生的机理，通过计算偶极子翻转的弛豫时间分布，提出了冻结偶极子和慢偶极子的概念，系统地解释了弥散相变，频率色散和极化行为等现象，提出由晶体结构不均匀性导致的连续遍历性破缺，是这类材料弛豫特性产生的根本原因。     

铁电薄膜的漏电行为及其电滞回线形变

采用全耗尽非对称双Ｓｃｈｏｔｔｋｙ垫垒模型，以Ｐｔ／Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３／Ｐｔ／Ｐｔ（Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔ）三明治结构铁电薄电容为例，对铁电薄膜的漏电及礤电滞回线形变等进行了分析，详细讨论了由非对称界面引起的薄膜漏电流，平带电压，击穿电压，以及电滞回线的不封闭性，剩余极化和矫顽电场的变化、电滞回线垂直漂移等现象，理论计算与实验结果符合得很好。     

Au／PZT／BIT/p-Si结构铁电存储二极管存储特性

采用脉冲激光沉积方法(PLD)制备了Au/PZT／BIT／p-Si结构铁电存储二极管.对其铁电性能和存储特性进行了实验研究.铁电性能测试显示较饱和的、不对称的电滞回线,其剩余极化和矫顽场分别约为15 μC／cm^２和48 kV／cm; 10^９次开关极化后剩余极化和矫顽场分别仅下降10%和增加12%;观察到源于铁电极化的CV和IＶ特性回线;电流密度+4 V电压下为6.7×10^-8 A／cm²; 在+2 V的读电压下,读“1”和读“0”电流有0.05 μA的明显差别;保持时间达30 min以上.     

La和Nd掺杂的硅基Bi_4Ti_3O_(12)铁电薄膜的无疲劳特性及其机理的比较研究

采用优化的溶胶-凝胶(Sol-gel)技术,同一工艺条件下在Pt/TiO2/SiO2/Si衬底上成功地制备了Bi3.25La0.75Ti3O12(BLT)和Bi3.15Nd0.85Ti3O12(BNT)铁电薄膜.X射线衍射(XRD)测试表明BLT和BNT薄膜具有单相的取向随机的多晶微结构;扫描电镜(SEM)的观测显示了这些薄膜具有50~100nm晶粒构成的均匀致密的表面形貌.利用铁电测试仪测定了以Cu为上电极而形成的金属-铁电薄膜-金属结构的电容器的铁电性能,得到了很好的饱和电滞回线.在最大外加场强为400kV/cm时,BLT和BNT薄膜的剩余极化强度(2Pr)和矫顽电场(2Ec)分别为25.1μC/cm2,203kV/cm和44.2μC/cm2,296kV/cm.疲劳测试表明,在1MHz频率测试下经过1.75×1010次读写循环后,由BLT和BNT薄膜组成的电容器几乎没有表现出疲劳,呈现很好的抗疲劳特性.分析比较了La和Nd掺杂对薄膜结构及铁电性能的影响及其机理.     

聚合物纳米复合电介质电热耦合分子断裂击穿特性与机理研究

薄膜介电电容器是电力系统、新能源汽车及电磁能装备中广泛使用的高功率储能设备.但面对越来越高的工作温度,电介质的击穿强度急剧下降,导致电容器的储能密度大幅减小.为了明确电介质击穿特性和温度间的定量关系,本文制备了聚丙烯/氧化铝和聚醚酰亚胺/氧化铝纳米复合电介质,研究其击穿强度的温度依赖性.结果表明,电介质的击穿场强随温度升高下降幅度增大,两者间为凸函数关系.但传统击穿模型均得到击穿强度与温度的变化为凹函数关系,与实验结果不符.本文建立了电热耦合分子断裂击穿模型,模型解析值与实验数据的最大误差仅为3.57%;从分子定向运动导致局部分子链相互作用强度下降的角度揭示了聚合物的击穿机理;纳米填料掺杂会导致复合电介质中的分子链受到束缚,界面区分子链间相互作用增强,并减少弱束缚分子链段,提升电介质的击穿场强及其温度稳定性.该研究为开发耐高温储能电容器提供了理论模型支持.     

PT/PZT/PT铁电薄膜的电畴结构与极化保持特性

用Sol-Gel法制备出了具有良好铁电性、纯钙钛矿结构的PbTiO₃/Pb (Zr_0.3Ti_0.7)O₃/PbTiO₃铁电薄膜. 在扫描力显微镜的压电响应模式下, 薄膜电畴压电响应的振幅像和相位像都表现为亮暗(黑白)和灰度衬度. 其复杂的畴衬度可归因于晶粒的结晶取向和畴排列所致. 对于亮暗衬度区域, 对应着极化方向相反的c畴. 灰色衬度区域对应着偏离膜平面垂直方向的c畴. 电场力响应模式下经12 V极化后测得的表面电势图显示, 电畴取向极化后, 薄膜表面将俘获正电荷. 这些俘获的正电荷, 使薄膜表面这一区域呈高电势的亮区. 在不同时间测得的表面电势图和表面电势线扫描信号可看出, 表面势将随着时间的变化而降低, 且强电场极化的区域, 15 min内表面电势下降迅速; 弱场极化的区域表面电势变化缓慢. 说明薄膜的极化保持特性与极化场强有密切的关系, 在合适的电场下, 薄膜极化后将会有较好的保持特性.     

亚微米PZT阵列制备及铁电性能研究

采用感光溶胶-凝胶法, 在ITO/石英基板上制备了具有紫外感光性的PZT前驱溶胶及凝胶薄膜. 利用薄膜自身的感光性, 采用He-Cd紫外激光双光束干涉和二次曝光工艺, 结合有机溶剂溶洗和600℃, 15 min热处理, 制备了点阵周期为1 μm, 阵列格点尺寸为480 nm×480 nm×40 nm的PZT薄膜阵列. 并将原子力显微镜(AFM)和铁电测试仪联用, 采用具有导电涂层的探针, 通过扫描获得铁电阵列的三维图像. 据此图像, 把探针定位于特定的微小格点上, 由铁电仪通过AFM探针提供电压, 并经探针将测试信号反馈给铁电仪, 以获得格点的电滞回线. 结果表明, 亚微米量级的PZT阵点随外电场的变化可以实现极化反转, 表现出明显的铁电特性.     

薄膜元件基底断点划痕的激光辐照效应

建立了断点划痕的正棱锥模型,在355 nm激光辐照下,用三维时域有限差分法研究了熔石英后表面具有不同棱角的断点划痕对场分布的调制作用.结果表明,电场强区分布在棱边一侧,深度在亚表面层2λ内.相同情况下,边边相对,比角角相对和边角相对具有更大的调制强度.随着棱角数目的增多,需要更大的坑点间距才能获得调制最大值.研究表明这类划痕诱导的最大电场幅值为入射波的3.70倍,可采用酸蚀或者CO_2激光辐照钝化棱角的方法来减小调制.     

La和Nd掺杂的硅基Bi4Ti3O12铁电薄膜的无疲劳特性及其机理的比较研究

采用优化的溶胶-凝胶（Sol—gel）技术，同一工艺条件下在Pt／TiO2／SiO2／Si衬底上成功地制备了Bi3.25La0.75Ti3O12（BLT）和Bi3.15Nd0.85Ti3O12（BNT）铁电薄膜．X射线衍射（XRD）测试表明BLT和BNT薄膜具有单相的取向随机的多晶微结构；扫描电镜（SEM）的观测显示了这些薄膜具有50～100nm晶粒构成的均匀致密的表面形貌．利用铁电测试仪测定了以Cu为上电极而形成的金属-铁电薄膜-金属结构的电容器的铁电性能，得到了很好的饱和电滞回线．在最大外加场强为400kV／cm时，BLT和BNT薄膜的剩余极化强度（2Pr）和矫顽电场（2Ee）分别为25．1gC／cm^2，203kV／cm和44．2gC／cm^2，296kV／cm．疲劳测试表明，在1MHz频率测试下经过1．75×10^10次读写循环后，由BLT和BNT薄膜组成的电容器几乎没有表现出疲劳，呈现很好的抗疲劳特性．分析比较了La和Nd掺杂对薄膜结构及铁电性能的影响及其机理．     

层状钙钛矿结构铁电薄膜高场耗散效应

以层状钙钛矿结构铁电薄膜Pt/SrBi2 Ta2 O9/Pt(Pt/SBT/Pt)三明治结构薄膜电容系统为例 ,研究了铁电薄膜高场耗散效应 .详细讨论了铁电薄膜高场漏电特性、击穿特性和瞬变电流特性以及铁电薄膜高场耗散效应产生的机理 .发现SBT薄膜漏电机制是从体限制过渡到电极限制为主 ,击穿电场与电极有效面积的对数成负线性关系 ,瞬变电流与极化反转无关 .理论分析与实验结果一致 .     

基于非线性温-焓对应关系的非共沸制冷剂评价

为了评价空调工况下非共沸制冷剂的循环特性, 揭示非共沸制冷剂在冷凝器和蒸发器中与换热流体间传热温差的沿程分布规律, 在制冷剂相变过程中非线性温-焓对应关系的基础上展开了相应的理论研究. 首先, 建立了制冷剂的冷凝和蒸发换热模型, 并根据标准空调工况确定了制冷剂相变时的状态参数. 然后, 利用制冷剂状态方程得到了15种非共沸制冷剂相变过程中温度与焓值的对应关系, 在一定假设的基础上计算出制冷剂和换热流体在相变过程中的传热温差. 通过归纳换热器沿程各位置的温差变化, 得到了它们的分布规律. 最后, 在对比了不同制冷剂由于传热温差的变化而引起的附加可用能损失后, 给出了这15种制冷剂的性能评价.     

低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的结晶度及其影响因素分析

借助非等温结晶动力学理论模型,较为系统地研究了低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的温度和结晶度分布.研究结果表明,微液滴在经历相变温区时,呈现出表面区域结晶度最高,中间次之,中心区域最低的变化规律;且浓度越高,温度和结晶度分布越不均匀,如50%甘油微滴表面区域与中心区域温差为8K,但前者的结晶度大约是后者的41倍,而对于微水滴,两个区域的温差为1.10K,结晶度则相差6倍;微液滴体积对低浓度溶液的最终结晶度没有影响,只是延长了其冻结相变持续时间,如2和8μL20%甘油的相变时间分别约为14.48和19.82s;而对于高浓度溶液,没有明显的冻结相变温区,但呈现出体积越大,结晶度越高的变化规律,如2和8μL50%甘油的结晶度分别约为0.29×10~(-6)和0.80×10~(-6);随着低温保护剂浓度的增大,其相变温度会明显降低(水为273K,20%甘油为250K,50%甘油为225K,Vs55为158K),其最终结晶度也会显著降低,如20%和50%甘油溶液的最终结晶度分别为1和5.61×10~(-7),而Vs55仅有5.70×10~(-16).     

高岭土基三元纳米复合电流变液材料及其性能

从物理设计和化学设计出发, 研制了一种高岭土/二甲基亚砜/羧甲基淀粉三元纳米复合电流变液材料. 该体系采用二步复合法制备, 即先将极性液体二甲基亚砜直接插入到高岭土片层之间, 然后再用溶液法复合羧甲基淀粉. XRD测试表明高岭土的层间距由0.715 nm扩大到1.120 nm. SEM显示羧甲基淀粉以纳米颗粒复合于化合物内. 在颗粒/硅油体积比30%和DC E=5 kV/mm下, 这种材料的静态剪切应力可达17 kPa, 分别是相同条件下纯高岭土电流变液和高岭土/羧甲基淀粉电流变液的14和4.25倍. 三元体系电流变液还具有较好的温度效应和抗沉降性能, 放置30 d后沉降仅为9%. 研究表明, 当三元体系质量配比为1︰0.75︰0.6时, 协同效应最佳, 表现出最强的电流变效应. 介电性能测试表明三元体系电流变液的介电常数和电导率比原材料电流变液有很大改善, 增强了极化能力和介电失配, 从而使电流变性能大幅提高.     

铋层状化合物Na0.5Ho0.5-xYbxBi4Ti4O15陶瓷材料的上转换发光、铁电、介电性能研究

采用传统的固相烧结法,制备了Na0.5Ho0.5-xYbxBi4Ti4O15铋层状结构陶瓷.经X射线衍射（XRD）表征,新合成材料为单相结构,且扫描电子显微镜下的表面和断面图像均为层状,说明合成材料为新型铋层状材料.室温时,在可见光波长范围内,有2个峰,分别为546 nm处的绿光峰和656 nm处的红光峰,分别对应于Ho3＋离子的5F4＋5S2→5I8和5F5→5I8跃迁.为研究其机理,测试了变功率条件下的发光强度,经计算,绿光和红光发射均为双光子过程.研究陶瓷样品在变温（-130~270°C）条件下的发光性能时,发现红光与绿光的强度比值与温度呈线性关系,该材料有望应用于光学温度传感器领域.经介电性能测试发现当Ho：Yb=1：9时,样品的居里温度为686.4°C.研究铁电性能发现当Ho：Yb=3：2时,剩余极化Pr为9.3μC/cm2,矫顽场强为Ec=82 k V/cm,表明具有一定的铁电性能.以上研究结果表明,制得的新材料是一种具有优异光学性能的多功能材料.