表面层数对铁电薄膜相变性质影响.pdfVIP

中国力学学会学术大会2009 （CCTAM2009 ） 表面层数对铁电薄膜相变性质的影响1) 2) 卢兆信 滕保华 鲁晓华 （电子科技大学物理电子学院，成都 610054） 摘要 根据关联有效场理论，采用微分算子方法对具有单表面层、双表面层的铁电薄膜的相变性质分别进 行了研究。利用推导得出的两个可用于研究任意n层的具有单表面、双表面铁电薄膜相变性质的递推通式 方程，研究了交换相互作用和横场参量对铁电薄膜相图的影响。计算结果表明，对具有不同表面层数的铁 电薄膜，当薄膜总层数相同时，铁电薄膜的相图、相互作用参数的过渡值都发生了明显变化；当薄膜体层 数相同时，仅仅相图会发生明显变化，而相互作用参数的过渡值却没有改变。 关键词 铁电薄膜，关联有效场理论，横场Ising模型 引 言 铁电薄膜具有铁电、压电、热释电、电光、声光、光拆变、非线性光学效应和高介电系数等优 良特性，潜在应用极为广泛。近年来，由于以铁电存储器为代表的铁电薄膜器件的发展，铁电体表 面效应的研究日益受到重视。在理论研究中，通常采用的主要有两种方法，宏观方法是 Ginzburg-Landau唯象理论，微观方法是横场Ising模型。在横场Ising模型中，人们对表面层引入了不 1-2 3 同于体内的赝自旋相互作用系数J 和隧穿频率Ω 。在平均场理论框架内，Wang等 和Sy 运用平均 s s 场近似方法讨论了铁电薄膜相变中的表面效应和尺寸效应。Teng等4采用通常平均场近似方法系统的 研究了各相互作用参数对单表面铁电薄膜相图的影响。为了获得优于平均场理论的结果，很多工作 采用了基于横场Ising模型的格林函数方法5-10或关联有效场理论11-19 。关联有效场理论是建立在伊辛 自旋同一性和微分算符技术基础上的一种理论模型，Kaneyoshi 曾对其进行改进11-14 。关联有效场理 11-12 13-16 17 论已经被广泛地应用于研究各种各样的物理系统，如磁性薄膜 、铁电薄膜 和铁电超晶格 等。 Kaneyoshi13 曾经对平均场近似、关联有效场理论以及积分算子技术退耦合运算三种理论近似方法进 行了比较，结果表明关联有效场理论是优于平均场理论的一种方法。 本文的目的是利用关联有效场理论对任意 n 层的单表面、双表面铁电薄膜相变性质进行研究， 通过理论推导获得的两个递推通式方程，具体比较各种相互作用参数对单表面、双表面铁电薄膜相 图的影响以及相互作用参数的过渡值。 1 理论模型 本文考虑的铁电薄膜是由n层所构成的一个简立方结构。每一层都被定义在x-y平面内，赝自旋 处于平面内的正方晶格中。采用的横场Ising模型哈密顿量15-16,18-19为： 1 H =− ∑ J S z S z − Ω ∑S x − Ω ∑ S x (1) ij i j b i s i 2 ij i b i s