鐵電體物理特性的計(jì)算機(jī)模擬.pdf

萬方數(shù)據(jù) 第1 0 期郭蘊(yùn)博 等 鐵電體物理特性的計(jì)算機(jī)模擬 電偶極子是否翻轉(zhuǎn) 若翻轉(zhuǎn)前后能量差 日 0 則體 系能量降低 電偶極子翻轉(zhuǎn) p 一p 否則從能量角 度看應(yīng)保持原取向 但熱擾動(dòng)的影響仍然能使它翻 轉(zhuǎn) 產(chǎn)生一個(gè) 0 1 區(qū)間上的隨機(jī)數(shù)r f 如 e 一百 則p 保持不變 這樣的抽樣通常要 持續(xù)幾次 迭代 每次使抽樣遍歷體系中每一個(gè)格點(diǎn) 稱為一個(gè)蒙特卡洛步 m c s 在多次迭代后 一般體系 就可以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài) 即平衡態(tài) 每一種取向的 電偶極子數(shù)目大體不變 這樣再迭代m 次 每迭代一 次計(jì)算一次極化強(qiáng)度P 再取其平均值就可以得到該 平衡態(tài)的極化強(qiáng)度P 對(duì)第g 次迭代有P p i 最終得極化強(qiáng)度為 P 去寶 2 n 1 由此 改變溫度參數(shù)矗r 和電場(chǎng)參數(shù)E 即可描述自發(fā) 極化強(qiáng)度與極化強(qiáng)度的變化曲線 程序框圖如圖1 本模擬中由于f 6 4 所以極化強(qiáng)度最大值約為4 0 0 0 肘 戈 表示第戈個(gè)瑚s 后的 暫時(shí) 極化強(qiáng)度 P 代表 最終計(jì)算出的平均極化強(qiáng)度 r 為隨機(jī)數(shù) 蕈 匭囪 臣翅 廣 7I 三匕竺l 產(chǎn) 2 P i lJ P i 一1j P i J 1 P i J 1 E P i J 岡 鄉(xiāng)迢 I J 田一 P i J 一P i J f N I lM x M x 卜P u 伸 圖l計(jì)算極化強(qiáng)度的流程圖 3 鐵電體自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度變化的模擬 在沒有外電場(chǎng)作用下 體系可以發(fā)生自發(fā)極化 自發(fā)極化強(qiáng)度只涉及大小而與方向無關(guān) 應(yīng)該將算法 中的極化強(qiáng)度取絕對(duì)值 即 只 IPI 去弘 3 通過改變算法中的溫度參數(shù)k r 并計(jì)算這時(shí)的自發(fā)極 化強(qiáng)度 即可得出自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系 具體結(jié)果如圖2 A 圖2自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化 自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度下降 直到在某一溫度處降 為0 這一溫度即居里溫度r 在圖2 中k r 一2 2 2 理論上 自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化關(guān)系在居里溫度 附近滿足居里 外斯定律H P f 叢等望1 i 4 p 其中a 與口都是常量 取決于材料 該定律大體趨勢(shì) 如圖2 中 r 2 0 6 2 2 2 一段 可見模擬與理論符合 得很好 4電滯回線及極化反轉(zhuǎn)過程中微觀結(jié)構(gòu)模擬 當(dāng)交變外電場(chǎng)頻率不很大時(shí) 可以認(rèn)為鐵電體在 每一時(shí)刻都處于平衡態(tài) 因此鐵電體在外電場(chǎng)作用下 產(chǎn)生的電滯回線也可以通過本模型模擬出來 在選定 合適的溫度與外電場(chǎng)參數(shù)峰值后 這里選擇 r 1 0 0 E 0 0 6 通過逐步改變外電場(chǎng) 可畫出電滯回 線 通過模擬可得圖3 一A 上方與下方兩條曲線合并的部分就是飽和極化的 部分 通過實(shí)驗(yàn)也可以得到真實(shí)的電滯回線 如圖3 B 實(shí)驗(yàn)所使用的材料是鈮酸鋰 由于沒有真實(shí)情況 中雜質(zhì)等因素的影響 所以模擬結(jié)果相對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果 顯得比較 方 A 萬方數(shù)據(jù) 11 9 2 廠 川 擬中使用的6 4 6 4 銪毒 列明聯(lián)系 將本橫 廠e自顏色的點(diǎn)來表示 可以三 三I 二3 巧H 用黑顏色與 引限V m 一 茹喜戇灞巍慧字三 磊荔 攔反登的詳細(xì)過程 由于 a b 圖5 宅滯回線隨溫度的變化 萬方數(shù)據(jù) 第1 0 期郭蘊(yùn)博 等 鐵電體物理特性的計(jì)算機(jī)模擬 6 結(jié)果與討論 f e r r o e l e c t r i cp e m v s k i t e sw i t haf i r s t o r d e rp h a s et r a n s i t i o n J P h y s R e v B 1 9 9 1 4 4 5 1 2 I s i n g 模型是解釋鐵電與鐵磁相關(guān)現(xiàn)象的經(jīng)典模 b 1 執(zhí)L i u J M d W a n g p I i X m C 竹h a r d tH G i L 北b W 二 二 u l a J t i o r tP h o f t h e 型 盡管忽略了許多因素 但其中關(guān)鍵的物理內(nèi)涵卻 R e v B 2 0 0 4 1 6 9 0 9 4 1 1 4 被有效地揭示出來 經(jīng)過I s i n g 模型的模擬 可以得到 4 w gX u uJM C h a nH Lw 甜 M o n t e c a d i m u l a t i n0 n 實(shí)驗(yàn)難以觀察到的鐵電體自發(fā)極化強(qiáng)度與電滯回線形d i e l e c t r i c a n df e r r o e l e c t r i cb e h a v i o r so fr e l a x o rf e r r o e l e c t r i c s J J A p p l 狀隨溫度的變化關(guān)系 極化反轉(zhuǎn)過程中的疇結(jié)構(gòu)變化 P h y s 2 0 0 4 9 5 8 4 2 8 2 等結(jié)果 這些模擬的結(jié)果都與理論期望的一致 由此可 b 1 k W 刪a n ge Y m P n z 麓 o F R o o m m t e i 捌m p e r h a t u r e 圳s a t u i r a t e i d 以有效地彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室條件的不足 p h i n t r i 二g J A p p l P h y k n 2 0 0 4 8 4 1 0 1 J 7 3 l 1 r 7 3 3 參考文獻(xiàn) 6 j 饕莩 黧慧黑紫裟淼麓薏塒金 1 沙振舜 黃潤(rùn)生 新編近代物理實(shí)驗(yàn) M 南京 南京大學(xué)大學(xué)出 鐘 吳興惠譯 j 匕京 化學(xué)工業(yè)出版社 2 0 0 5 3 2 3 3 2 5 版社 2 0 0 2 4 1 7 E 8 鐘維烈 鐵電體物理學(xué) M 北京 科學(xué)出版社 1 9 9 6 2 9 d 2 W e n w uC a oa n dC r o s sLE T h e o r yo ft e t r a g o n a lt w i ns t r u c t u r e si n 上接第1 1 8 5 頁 4 2 2 加強(qiáng)教學(xué)與科研的結(jié)合 提高隊(duì)伍的整體素質(zhì) 教學(xué)與科研相結(jié)合 就是制定合理的教學(xué)管理規(guī) 定 鼓勵(lì)有科研能力的中青年教師參加實(shí)驗(yàn)教學(xué)第一 線的工作 長(zhǎng)期參加基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師也有時(shí)間有 精力參加科研工作 促使整個(gè)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師隊(duì)伍素質(zhì) 的提高 使其能夠面向?qū)W科發(fā)展前沿 捕捉學(xué)科發(fā)展的 最新信息 接受并提出新的實(shí)驗(yàn)選題 有能力指導(dǎo)學(xué)生 分析 解決在半設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)或自選類實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的新問 題 以教師自身的創(chuàng)新思維方式影響和培養(yǎng)學(xué)生 4 3 實(shí)施開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué) 促進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng) 在傳統(tǒng)的機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中 由于大多按實(shí)驗(yàn) 教科書按部就班地進(jìn)行 學(xué)生按教材上的實(shí)驗(yàn)步驟做 完一遍 交上實(shí)驗(yàn)結(jié)果 教師通過將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與 標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果比較進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定 這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式 是建立在相對(duì)穩(wěn)定的教學(xué)內(nèi)容基礎(chǔ)上的 實(shí)驗(yàn)課時(shí) 測(cè) 試所需設(shè)備 所耗儀器機(jī)時(shí)相對(duì)固定 教學(xué)易于組織 實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ子谠u(píng)價(jià) 也能促進(jìn)學(xué)生通過認(rèn)真的實(shí)驗(yàn)操 作以取得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 幾十年來 這種教學(xué)方式 在機(jī)械工程人才的培養(yǎng)過程中也發(fā)揮過重要作用 但 它很難做到因材施教 不利于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣 難 以激發(fā)創(chuàng)新的思維 同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)學(xué)生因不滿足于正 常實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容 有厭倦感 逐漸失去對(duì)實(shí)驗(yàn)的興 趣 興趣是探索未知與勇于創(chuàng)新的動(dòng)力 如何激發(fā)學(xué) 生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣 是一個(gè)很重要的問題 而這個(gè)問題的 解決在很大程度上可依賴于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開放 開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)可體現(xiàn)為改變實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定中強(qiáng) 調(diào)一次性獲得準(zhǔn)確結(jié)果的觀念 允許基礎(chǔ)差的學(xué)生從 失敗中學(xué)習(xí) 通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求 有 的實(shí)驗(yàn)課時(shí)長(zhǎng) 難以在課內(nèi)重做 可在課余時(shí)間進(jìn)入實(shí) 驗(yàn)室訓(xùn)練 對(duì)基礎(chǔ)好的學(xué)生 允許在完成基本實(shí)驗(yàn)內(nèi) 容的基礎(chǔ)上自選實(shí)驗(yàn) 開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)也體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn) 教學(xué)內(nèi)容方面 如增加設(shè)計(jì)型綜合實(shí)驗(yàn) 小型研究性實(shí) 驗(yàn) 這類實(shí)驗(yàn)將重點(diǎn)放在培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì) 制造 在實(shí)踐 中發(fā)現(xiàn)問題 分析問題及解決問題的綜合能力與素質(zhì) 方面 開放實(shí)驗(yàn) 有利于對(duì)學(xué)生因材施教 有利于學(xué)生 個(gè)性發(fā)展 也有利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣 開放式 實(shí)驗(yàn)教學(xué)無疑將增加教師的工作量 增加器材的消耗 量 增加儀器設(shè)備的損耗 因此應(yīng)有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng) 費(fèi)的投入和科學(xué)的實(shí)驗(yàn)室開放管理制度與激勵(lì)機(jī)制 5結(jié) 語 近2 0 年來 機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)科學(xué)迅速發(fā)展 新的實(shí) 驗(yàn)技術(shù) 新的儀器設(shè)備發(fā)展很快 在發(fā)達(dá)國家中 較高 檔的儀器設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室 中國的大學(xué) 教育理論基礎(chǔ)并不比先進(jìn)國家差 但實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn) 設(shè)備低于先進(jìn)國家 所培養(yǎng)的學(xué)生的差距是有目共睹 的 一方面爭(zhēng)取多渠道的基金投入 更新現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教 學(xué)的陳舊設(shè)備 另方面通過教學(xué)與科研相結(jié)合 力求有 效地共享科研實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)設(shè)備 不僅有利于實(shí)驗(yàn)教 學(xué)內(nèi)容的更新 同時(shí)也可使所培養(yǎng)的機(jī)械工程人才具 有更高的素質(zhì) 更具有競(jìng)爭(zhēng)力 參考文獻(xiàn) 1 德里克 博克 美國高等教育 M 北京 北京師范學(xué)院出版社 1 9 9 1 3 2 李敏誼 2 l 世紀(jì)美國高等教育面對(duì)的挑戰(zhàn)與選擇 J 比較教育研 究 2 0 0 1 9 7 8 33 文輔相 面向2 1 世紀(jì)大學(xué)教育思想的變革 J 高等教育研究 1 9 9 7 3 9 2 4 時(shí)銘顯 面向2 1 世紀(jì)的美國工程教育改革 J 中國大學(xué)教育 2 0 0 2 1 0 1 5 3 5 趙婷婷 基于大工程觀的美國高等工程教育課程設(shè)置特點(diǎn)分析 J 高等教育研究 2 0 0 4 6 9 6 6 程介明 中國大陸教育實(shí)況 進(jìn)展 局限 趨勢(shì) M 臺(tái)北 臺(tái)灣商務(wù) 印書館 1 9 9 2 2 2 7 2 2 8 7 蔡克勇 2 1 世紀(jì)中國教育的走向 M 廣東高等教育出版社 2 0 0 4 7 萬方數(shù)據(jù) 鐵電體物理特性的計(jì)算機(jī)模擬鐵電體物理特性的計(jì)算機(jī)模擬 作者 郭蘊(yùn)博 王礪鋒 于瑤 王均義 GUO Yun bo WANG Li feng YU Yao WANG Jun yi 作者單位 南京大學(xué) 物理系 江蘇 南京 210093 刊名 實(shí)驗(yàn)室研究與探索 英文刊名 RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORY 年 卷 期 2006 25 10 被引用次數(shù) 0次 參考文獻(xiàn) 8條 參考文獻(xiàn) 8條 1 沙振舜 黃潤(rùn)生 新編近代物理實(shí)驗(yàn) 2002 2 Wenwu Cao Cross L E Theory of tetragonal twin structures in ferroelectric perovskites with a first order phase transition 1991 44 3 Liu J M Wang X Chan H L W Monte Carlo simulation of the dielectric susceptibility of Ginzburg Landau mode relaxors 2004 69 4 Wang X Liu J M Chan H L W Monte Carlo simulation on dielectric and ferroelectric behaviors of relaxor ferroelectrics 2004 08 5 Wang Y P Zhou L Zhang M F Room temperature saturated ferroelectric polarization in BiFeO3 ceramics synthesized by rapid liquid phase sintering 2004 10 6 馬文淦 計(jì)算物理學(xué) 2005 7 C 基泰爾 項(xiàng)金鐘 吳興惠 固體物理導(dǎo)論 2005 8 鐘維烈 鐵電體物理學(xué) 1996 相似文獻(xiàn) 6條 相似文獻(xiàn) 6條 1 學(xué)位論文 崔春玲 鐵電體疇結(jié)構(gòu)和極化反轉(zhuǎn)的計(jì)算機(jī)模擬 2006 鐵電材料是應(yīng)用廣泛的一大類功能材料 鐵電性的有效利用和新功能效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)都有賴于對(duì)鐵電性內(nèi)在本質(zhì)的深入理解 鐵電體物理學(xué)是當(dāng)代凝聚 態(tài)物理學(xué)的一個(gè)重要分支 鐵電體疇結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)理解鐵電體極化反轉(zhuǎn)過程及其相關(guān)物理性質(zhì)有著十分重要的影響 深刻了解疇結(jié)構(gòu)的形成 過程及其動(dòng)態(tài)過程對(duì)于控制和調(diào)節(jié)鐵電材料的特性是非常必要的 先前對(duì)鐵電體疇結(jié)構(gòu)的研究主要有以下兩個(gè)方面 一是基于最小自由能原理與居里原 理之上的疇結(jié)構(gòu)確定 包括疇尺寸 疇壁尺寸及相鄰疇的取向關(guān)系等研究 另一是基于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與運(yùn)動(dòng)模式推想相結(jié)合的動(dòng)力學(xué)研究 目前的疇結(jié)構(gòu)的模擬主要是在伊辛 Ising 模型基礎(chǔ)上進(jìn)行的 模擬結(jié)果與實(shí)際的疇結(jié)構(gòu)圖案有較大的差別 而且在極化反轉(zhuǎn)過程中不能夠反映出疇 的縱向長(zhǎng)大過程 本工作利用計(jì)入四自旋相互作用的伊辛模型的格林函數(shù)方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬 直觀地顯示鐵電體的疇結(jié)構(gòu)隨外場(chǎng)電壓的變化圖樣 從 而對(duì)鐵電體疇結(jié)構(gòu)的反轉(zhuǎn)機(jī)理進(jìn)行了一些理論研究 這一模型所得結(jié)果可以與實(shí)驗(yàn)結(jié)果定量地符合 而且在足夠大的四自旋相互作用下可以描述一級(jí)相 變過程 本論文在二維伊辛模型基礎(chǔ)上 運(yùn)用蒙特卡羅方法展開了以下三方面的研究 1 近鄰和四自旋相互作用對(duì)鐵電體疇結(jié)構(gòu)影響的模擬 在被研究體系的哈密頓量中分別計(jì)入最近鄰相互作用 最近鄰與次近鄰相互作用 最近鄰與 次近鄰和第三近鄰相互作用 采用蒙特卡羅方法進(jìn)行模擬計(jì)算鐵電體疇結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化和極化反轉(zhuǎn)過程 討論極化強(qiáng)度P和外電場(chǎng)E之間的關(guān)系曲線 P E電滯回線 兩自旋相互作用對(duì)電疇的縱向長(zhǎng)大趨勢(shì)沒有明顯的影響 次近鄰和第三近鄰相互作用增強(qiáng)疇壁的運(yùn)動(dòng) 而不利于成核過程 為討論鐵 電體中發(fā)生的一級(jí)相變 必須計(jì)入四自旋相互作用 因此 在前面計(jì)算的基礎(chǔ)上在哈密頓量中計(jì)入四自旋相互作用以及與近鄰相互作用 計(jì)算鐵電體疇 結(jié)構(gòu)和電滯回線與近鄰自旋相互作用下的區(qū)別 結(jié)果表面方型的四自旋相互作用對(duì)于疇的縱向生長(zhǎng)起主要作用 T型的四自旋相互作用可以導(dǎo)致反鐵電相 的出現(xiàn) 在考慮最近鄰 第三近鄰和T型四體相互作用時(shí) 出現(xiàn)場(chǎng)致鐵電一反鐵電相變 電滯回線呈壓扁狀 在考慮最緊鄰 第三近鄰 T型和方型四體 相互作用時(shí) 出現(xiàn)更加明顯的場(chǎng)致鐵電一反鐵電相變 2 溫度對(duì)鐵電體疇結(jié)構(gòu)和極化反轉(zhuǎn)影響的模擬 溫度對(duì)鐵電體的疇結(jié)構(gòu)和自發(fā)極化有著十分重要的影響 為了了解這個(gè)問題 我們模擬了點(diǎn)陣系統(tǒng) 從隨機(jī)產(chǎn)生的初態(tài)演化到與目標(biāo)溫度對(duì)應(yīng)的平衡態(tài)的一個(gè)微觀態(tài) 而平衡態(tài)的每個(gè)微觀態(tài)給出了該溫度下的各個(gè)格點(diǎn)自旋指向的一種分布 根據(jù)自旋指 向分布可得到極化強(qiáng)度 在近鄰 次近鄰 三近鄰和四自旋相互作用的Ising模型的基礎(chǔ)上 利用蒙特卡轉(zhuǎn)過程 計(jì)算結(jié)果表明鐵電體的平均自發(fā)極化隨 溫度的增加而減小 鐵電體系統(tǒng)的剩余極化 矯頑力隨溫度的升高而下降 這是由于隨著溫度的升高 系統(tǒng)自旋組態(tài)變得更無序 使得反鐵電更容易出 現(xiàn) 導(dǎo)致了矯頑場(chǎng)的減小 并且 通過模擬不同溫度下的疇結(jié)構(gòu)圖樣 發(fā)現(xiàn)溫度也可誘導(dǎo)疇結(jié)構(gòu)類型的轉(zhuǎn)化 3 電場(chǎng)對(duì)鐵電體疇結(jié)構(gòu)和極化反轉(zhuǎn)的影響 在外加電場(chǎng)的作用下 鐵電疇結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化 通過成核以后的疇壁的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)疇的轉(zhuǎn)向 旅加電場(chǎng)時(shí) 極化強(qiáng)度平行于外加電場(chǎng)的疇將增大 而反平行于外電場(chǎng)的疇將縮小 當(dāng)外加電場(chǎng)大于鐵電材料的矯頑場(chǎng)時(shí) 鐵電疇將發(fā)生反轉(zhuǎn) 本人利用二自旋和 四自旋相互作用的Ising模型 采用蒙特卡羅方法研究了不同電場(chǎng)強(qiáng)度下 鐵電體疇結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化和極化反轉(zhuǎn)過程 研究結(jié)果表明鐵電體的平均自發(fā)極 化隨場(chǎng)強(qiáng)的增加而略有增加 矯頑場(chǎng)隨場(chǎng)強(qiáng)的增加出現(xiàn)了少許的增大 而系統(tǒng)的剩余極化Pr基本保持不變 不同頻率下鐵電體系統(tǒng)的電滯回線 結(jié)果顯 示電滯回線逐漸變寬 這說明電場(chǎng)頻率越高鐵電體系統(tǒng)的矯頑場(chǎng)就越大 而電場(chǎng)頻率的改變對(duì)剩余極化Pr的影響不大 2 學(xué)位論文 張艷飛 多晶材料鐵電熱電性質(zhì)的蒙特卡羅模擬 2009 晶粒長(zhǎng)大是純金屬 合金 陶瓷等多晶材料中最普遍的晶粒生長(zhǎng)現(xiàn)象 對(duì)材料的各種物理化學(xué)性能有重要影響 對(duì)大多數(shù)多晶材料而言 晶粒尺寸 大小及均勻性是決定其性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一 因此 系統(tǒng)的研究多晶材料晶粒長(zhǎng)大過程及其動(dòng)力學(xué) 以及晶粒形貌對(duì)其各種物理性能的影響具有重 要的理論和工程意義 近年來 國內(nèi)外許多材料研究者利用能量模型蒙特卡羅方法模擬晶粒生長(zhǎng)過程的技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟了 不僅獲得了晶粒尺 寸變化的信息 而且可以直觀的觀察到晶粒形貌的演變過程 因此 為進(jìn)一步研究晶粒形貌對(duì)多晶材料性能的影響及其變化規(guī)律奠定了良好的理論技術(shù) 基礎(chǔ) 二十一世紀(jì)是新技術(shù)和新材料飛速發(fā)展的世紀(jì) 鐵電材料不僅是重要的電子功能材料 而且被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的智能基礎(chǔ)材料 在傳感器和光 調(diào)制器等高性能微電子 光電子集成器件方面有著廣泛的研究和應(yīng)用 受到了材料科學(xué) 物理學(xué) 微電子學(xué)和信息科學(xué)等眾多領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注 與鐵電 單晶相比 鐵電陶瓷具有制備容易 成本低廉 化學(xué)成份可進(jìn)行調(diào)整以及可做成任意形狀的制品等優(yōu)點(diǎn) 另一方面 因?yàn)殍F電陶瓷是燒結(jié)而成的多晶體 不是理想的單晶狀態(tài) 存在晶粒間界 雜質(zhì) 晶體缺陷等 所以可以通過控制晶粒間界 雜質(zhì) 晶體缺陷等手段獲得理想單晶狀態(tài)所不具有的性能 自二十世紀(jì)八十年代出現(xiàn)納米材料以后 多晶鐵電材料的尺寸效應(yīng)就引起了人們的注意 受晶粒尺寸及組成影響的鐵電體的疇結(jié)構(gòu)是影響其物理性質(zhì)的 一個(gè)重要方面 對(duì)鐵電體性能和尺寸關(guān)系的研究不僅是一個(gè)理論上感興趣的問題 而且具有實(shí)際應(yīng)用的意義 現(xiàn)已成為材料科學(xué)中一個(gè)倍受重視的課題 迄今為止 還未見在模擬多晶鐵電材料晶粒生長(zhǎng)過程的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)其物理性質(zhì)進(jìn)行模擬研究的報(bào)道 熱電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能和熱能直接相互轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體功能材料 在熱電發(fā)電和制冷 恒溫控制與溫度測(cè)量以及各種傳感器件等領(lǐng)域具有極為 廣闊的應(yīng)用前景 但是 與傳統(tǒng)的制冷和發(fā)電技術(shù)相比 熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)由于其相對(duì)較低的轉(zhuǎn)換效率而在應(yīng)用上受到一定的限制 因此 對(duì)多晶熱電材料 的熱電性能進(jìn)行研究以提高其熱電轉(zhuǎn)換效率具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義 限域效應(yīng)是通過多個(gè)界面 這里可以看作晶界 來實(shí)現(xiàn)的 可以有效地降低聲子在某 些方向的傳播從而降低熱導(dǎo)率 界面效應(yīng)對(duì)聲子散射也通常用來降低熱導(dǎo)率 如何利用限域效應(yīng)和界面效應(yīng)的協(xié)同提高多晶熱電材料的熱電性能是本工 作的研究重點(diǎn) 隨著計(jì)算材料科學(xué)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)模擬已逐漸成為除了實(shí)驗(yàn)和理論之外 對(duì)材料微觀組織演化及微觀組織設(shè)計(jì)研究的另一個(gè)重要手段 鑒于對(duì)多晶 材質(zhì)性能模擬的重要性 本論文首次基于Potts Ising模型利用蒙特卡羅方法 首先模擬了多晶材質(zhì)的晶粒生長(zhǎng)過程 進(jìn)而研究了包括晶粒尺寸在內(nèi)的多 種因素對(duì)多晶鐵電材料的鐵電以及介電性質(zhì)等的影響 此外 本論文還對(duì)多晶熱電材料的熱電性質(zhì)進(jìn)行了模擬研究 第一章主要介紹了本論文的選題意義及研究概況 首先簡(jiǎn)要地介紹了晶粒生長(zhǎng)過程的研究意義和模擬方法 著重介紹了蒙特卡羅方法和本論文所采 用的Potts Ising模型 通過對(duì)兩種改進(jìn)的晶粒生長(zhǎng)的蒙特卡羅模擬方法的比較 得到了更為準(zhǔn)確地反映近穩(wěn)態(tài)晶粒長(zhǎng)大特征的策略 且進(jìn)一步提高了模 擬效率 本章的后半部分首先介紹了近幾年來對(duì)鐵電材料的鐵電介電性能及熱電材料的熱電性能進(jìn)行模擬研究的現(xiàn)狀 由于大部分研究工作是針對(duì)單晶 和薄膜的情況 所以本章介紹了多晶材料物理性質(zhì)模擬的意義 從而給出了本論文的選題和研究?jī)?nèi)容 最后一部分通過一個(gè)例子 利用蒙特卡羅方法確定 伊辛帶的寬度閾值 來驗(yàn)證方法和模擬程序的可靠性 第二章利用發(fā)展的Potts Ising模型蒙特卡羅方法對(duì)正常多晶鐵電陶瓷和存在偶極缺陷的多晶鐵電陶瓷的極化反轉(zhuǎn)過程分別進(jìn)行了模擬研究 首先給 出了利用Potts模型得到的多晶鐵電陶瓷的晶粒形貌圖 其疇結(jié)構(gòu) 電滯回線和開關(guān)電流的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好 對(duì)于正常多晶鐵電陶瓷 主 要模擬了外界條件 溫度 外加電場(chǎng)幅值及頻率 對(duì)電滯回線的影響情況 發(fā)現(xiàn)溫度的升高使得鐵電陶瓷的剩余極化和矯頑場(chǎng)顯著降低 鑒于此可以根 據(jù)溫度對(duì)電滯回線的影響粗略地確定居里溫度 外電場(chǎng)的頻率越高或者其幅值越大 需要做的功也會(huì)越多 從而導(dǎo)致電滯回線的面積不斷增大 模擬結(jié) 果還表明隨著晶粒尺寸的增加 鐵電陶瓷的疇結(jié)構(gòu)逐漸由單疇演化為多疇結(jié)構(gòu) 此外 剩余極化強(qiáng)度和矯頑場(chǎng)也會(huì)隨著晶粒尺寸的增大而增加 進(jìn)一步 的分析發(fā)現(xiàn) 小晶粒尺寸的鐵電陶瓷在極化反轉(zhuǎn)過程會(huì)出現(xiàn)更多的新疇成核 這也正是平均晶粒尺寸小的鐵電陶瓷矯頑場(chǎng)相對(duì)較小的原因 體系中缺陷 的引入不僅降低了剩余極化強(qiáng)度 同時(shí)也降低了矯頑場(chǎng) 對(duì)極化反轉(zhuǎn)過程的疇結(jié)構(gòu)分析可以發(fā)現(xiàn)在多晶形態(tài)還存在不同于傳統(tǒng)意義的特殊疇結(jié)構(gòu) 這里 稱之為 擴(kuò)展疇 擴(kuò)展疇的范圍可以包括幾個(gè)晶粒 這幾個(gè)晶粒中的極化強(qiáng)度方向大致沿外加電場(chǎng)的方向 正常多晶鐵電陶瓷中新疇成核主要出現(xiàn)在 晶界處 當(dāng)系統(tǒng)中引入缺陷時(shí) 新疇成核更易于出現(xiàn)在缺陷處 缺陷濃度和平均晶粒尺寸對(duì)開關(guān)電流也有一定的影響 缺陷濃度的增加和平均晶粒尺寸 的減小都會(huì)降低開關(guān)電流的峰值 但對(duì)回轉(zhuǎn)電流的影響相對(duì)較不明顯 第三章利用蒙特卡羅方法Potts Ising偶極玻璃模型 研究了一類具有特殊性質(zhì)的多晶鐵電材料 弛豫鐵電體的物理性質(zhì) 本章主要研究了晶粒尺寸 效應(yīng) 外加交變電場(chǎng)幅值及頻率對(duì)介電常數(shù)的影響 模擬結(jié)果表明 隨著平均晶粒尺寸的增大或隨著交變電場(chǎng)頻率的減小或其幅值的減小 介電常數(shù)都 會(huì)增大 同時(shí) 介電常數(shù)達(dá)到最大值時(shí)的溫度Tm會(huì)移向較低的溫度處 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的很好 此外 由類居里外斯定律得到的弛豫系數(shù) 進(jìn)一步論證 了弛豫鐵電體的弛豫性 通過比較弛豫鐵電體和正常鐵電體在極化反轉(zhuǎn)過程中的疇演化圖發(fā)現(xiàn) 它們的主要區(qū)別在于新疇成核的數(shù)量 當(dāng)電場(chǎng)反向時(shí) 弛豫鐵電體中新疇成核的數(shù)量要比正常鐵電體中的多得多 另外 在疇長(zhǎng)大的過程中 正常鐵電體中的新疇是一個(gè)接一個(gè)的長(zhǎng)大 而在弛豫鐵電體中 多數(shù)新成核的疇?zhēng)缀跏峭瑫r(shí)長(zhǎng)大 在第四章中 發(fā)展了一種研究多晶體系電子態(tài)以及熱電性質(zhì)的蒙特卡羅 才算方法 首先利用Potts模型蒙特卡羅方法模擬多晶材質(zhì)圖案的演化過程 再由此利用模型序參量構(gòu)造晶界的勢(shì)函數(shù) 用近自由電子近似構(gòu)造體系的哈密頓量 求解薛定諤方程得到體系的本征態(tài) 通過電荷密度的分布研究電 子的限域特征 分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)于晶界為勢(shì)壘的情況 電子的基態(tài)出現(xiàn)在最大晶粒中 由求得的本征能級(jí)和波函數(shù)可以計(jì)算出溫差導(dǎo)致的電位差 即得到賽貝克系數(shù)隨溫度的變化 模擬結(jié)果表明以晶界為勢(shì)壘的多晶體系的賽貝克系數(shù)要高于以晶界為勢(shì)阱的多晶體系 進(jìn)一步研究了平均晶粒尺寸 對(duì)賽貝克系數(shù)和電導(dǎo)率的影響 賽貝克系數(shù)隨著平均晶粒尺寸的增大而減小 模擬得到的電導(dǎo)率與晶界勢(shì)壘的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系表明晶界勢(shì)壘高的地方電導(dǎo) 率低 電導(dǎo)率隨著平均晶粒尺寸的增大而增大 隨著外場(chǎng)強(qiáng)度的增加而減小 得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)基本一致 通過分析說明平均晶粒尺寸對(duì)賽貝克系數(shù)及 電導(dǎo)率的影響主要來自于晶界的作用 最后一部分求得了多晶材質(zhì)熱電材料的熱導(dǎo)率 結(jié)果不是很理想 第五章對(duì)本論文進(jìn)行了總結(jié) 并對(duì)今后擬開展的工作進(jìn)行了展望 本論文在模擬晶粒生長(zhǎng)過程的基礎(chǔ)上 首次利用Potts Ising模型蒙特卡羅方法模 擬了鐵電及熱電多晶材料的物理性能 并進(jìn)一步研究了其受各種外界及內(nèi)部條件的影響情況 3 期刊論文 崔春玲 朱化鳳 近鄰和四自旋相互作用對(duì)鐵電體疇結(jié)構(gòu)影響的模擬 青島大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2010 23 3 在二維Ising模型基礎(chǔ)上 采用蒙特卡羅方法研究了二自旋和四自旋相互作用下 鐵電體疇結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化和極化反轉(zhuǎn)過程 數(shù)值模擬結(jié)果表明二自旋 相互作用下極化反轉(zhuǎn)過程中顯示不出明顯的疇縱向生長(zhǎng)趨勢(shì) 而四自旋相互作用下 方型的四自旋相互作用對(duì)于疇的縱向生長(zhǎng)起主要作用 T型的四自旋相 互作用可以導(dǎo)致反鐵電相的出現(xiàn) 4 學(xué)位論文 張建 鈣鈦礦鐵電體及其薄膜的相變 介電和非線性光學(xué)性質(zhì)研究 2002 鈣鈦礦氧化物鐵電體同時(shí)具有壓電 熱釋電 電光 聲光 光折變和非線性