分子动力学研究钛酸钡薄膜铁电相变-材料加工工程专业论文.docx

Classified Index: TB304 U.D.C: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering STUDY ON THE FERROELECTRIC TRANSITION OF BARIUM TITANATE THIN FILM BY MOLECULAR DYNAMICS Candidate： Wang Shengkai Supervisor： Associate Prof. Liu Xiangli Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Material Processing Engineering Affiliation： Shenzhen Graduate School Date of Defence： June, 2009 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士论文 哈尔滨工业大学工学硕士论文 - - I - 要 铁电材料是一类非常重要的微电子材料，在存储介质，压电器件，传感设 备方面都有广泛的应用。铁酸顿作为一种典型的铁电材料，往往被用来研究铁 电相关特性。体材料状态的铁酸顿材料的性质己经趋于完善，但薄膜状态铁酸 顿相关性能并不明了。超薄厚度的铁酸顿薄膜制备的困难使得实验方法研究铁 酸顿薄膜受到重重阻扰，通过计算机模拟的方法可以有效地降低实验中的人为 影响，从计算上得到薄膜的相关特性。本文通过基于壳核模型Cshell model) 的分子动力学方法研究了铁酸顿薄膜的相变行为。 在本文的第三章，以典型的铁电电容器为原型，构建了以Ti02 为表面层的 铁酸顿薄膜，为了引入基板对薄膜的影响，-1.5%的面内应变来描述薄膜与基 板之间的晶格失配。使用壳核模型描述了铁酸顿离子晶体，同时给出了模型中 的作用势和作用对象，相关的计算参数通过第一性原理的计算结果拟合得到， 然后在该章的最后给出了模拟的详细计算步骤和使用的参数。我们通过对计算 结果的分析，观察到了铁酸顿薄膜明显的表面效应。在晶格参数方面，不管是 顺电相还是铁电相的薄膜均随厚度的增加而增加，但后者的递增趋势较缓。通 过分析薄膜不同温度下的晶格参数的变化，得到了明显的铁电相变点。其相变 温度随薄膜厚度增加而增加，增加幅度却逐步减缓，接着通过拟合延伸预测了 铁酸顿薄膜的临界厚度。在极化强度方面，使用统计学方法计算了薄膜的面内 外极化强度，发现温度的变化并不影响该应变下薄膜的面内极化强度。而面外 极化强度在低温时呈畴结构，温度的增加，畴结构会消失，消失的温度曲线与 晶格参数的到得相变温度曲线比较相似。 另外，在本文的开始部分，介绍了铁电材料的研究背景，铁电薄膜的主要 研究方法，国内外对铁电薄膜的研究现状以及铁酸顿晶体的相变过程和铁电性 质等。在第二章中，对本论文使用主要方法分子动力学的基本原理，积分算法 以及系综等重要概念进行了简要地阐述。 关键词:分子动力学:铁电相变:壳核模型:尺寸效应 - - II - Abstract Ferroelectric is very important kind of micro-electronic materials, have a wide range of applications in the storage medium, piezoelectric devices, sensing devices. As a typical ferroelectrics, BaTiO 3 is always is used to study feathers of ferroelectric. Though the characters of bulk BaTiO 3 are almost clear, the relative properties of BaTiO 3 films are not clear yet. The difficulty of preparation for ultrathin BaTiO 3 film makes a big obstacle in studying by experiments. However, computer simulations can avoid human influence efficiently. Then properties of films can be calculated. In this paper, molecular dynamics based on shell model is applie