鐵(tiě)電(diàn)材料的研究(jiū)現(xiàn)狀鐵電(diàn)薄膜(mó)是(shì)一(yī)類(lèi)重(zhòng)要的薄(báo)膜材料,是目前高新技術研究的(dí)前沿(yán)和熱點之一(yī)。究其原因,可概括為(wéi)介(jiè)電(diàn)性(xìng)，鐵(tiě)電(diàn)開關效應，壓(yā)電(diàn)效(xiào)應，熱釋(shì)電效應(yīng)，電光效應，聲光效應(yīng)，光折變(biàn)效應和(hé)非(fēi)綫(xiàn)性(xìng)光學(xué)效應(yīng)等特(tè)點(diǎn),該(gāi)材(cái)料(liào)既(jì)可以(yǐ)單(dān)獨利用(yòng)上(shàng)述諸(zhū)效應製(zhì)作不(bù)同的(dí)功能器件,也(yě)可(kě)以綜合(hé)利(lì)用(yòng)兩個(gè)或(huò)兩(liǎng)個(gè)以上(shàng)的(dí)效應(yīng),製(zhì)作(zuò)多功(gōng)能(néng)器(qì)件，集(jí)成器(qì)件或(huò)機(jī)敏器件,因此(cǐ),鐵電薄(báo)膜和集(jí)成(chéng)鐵(tiě)電器件在(zài)世界(jiè)範圍內引起(qǐ)了(liǎo)科技工作者(zhě)，產業(yè)部門，甚至政府部門的(dí)關(guān)注(zhù)。近幾年的研究熱(rè)點如下(xià):2.1尺(chǐ)寸效應(yīng)和表(biǎo)麵界(jiè)麵(miàn)效應近年(nián)來,鐵電薄(báo)膜(mó)和(hé)以(yǐ)鐵電體(tǐ)為(wéi)組元的復合(hé)型(xíng)功(gōng)能材料發展很快,促(cù)進了對(duì)低(dī)維鐵電材料(liào)特性的(dí)理論研究(jiū)。人們對(duì)鐵(tiě)電薄膜(mó)研(yán)究(jiū)的高漲熱情,其主要動力(lì)是(shì)鐵電(diàn)薄膜在(zài)記憶器件上的應用。理(lǐ)論研(yán)究的(dí)主要途徑有(yǒu)GLD的唯象理(lǐ)論和橫場(cháng)Ising模型。主(zhǔ)要探究(jiū)尺寸(cùn)效應和表麵效(xiào)應(yīng)。隨著鐵電(diàn)薄膜和(hé)鐵電(diàn)超(chāo)微(wēi)粉(fěn)的(dí)發(fā)展(zhǎn),鐵(tiě)電(diàn)尺(chǐ)寸效應(yīng)已(yǐ)成為迫切需(xū)要(yào)解決的實際問題。對(duì)於(yú)集(jí)成鐵電器件在有限(xiàn)尺寸下(xià)的(dí)發(fā)展有重(zhòng)要(yào)意(yì)義。實驗上已(yǐ)經證實(shí)鐵電(diàn)薄膜厚(hòu)度薄(báo)到一定的程(chéng)度鐵電性將(jiāng)消(xiāo)失(shī),其中的物理原因還(huán)不是(shì)很(hěn)清楚(chǔ)。我(wǒ)們知(zhī)道鐵電(diàn)性的產(chǎn)生(shēng)是庫(kù)侖長程(chéng)作用(不(bù)像鐵(tiě)磁(cí)體是短程交換作用的(dí)結果),尺寸(cùn)太小(xiǎo),長(cháng)程(chéng)有(yǒu)序(xù)將消失。但是鐵電(diàn)薄膜(mó)隻(zhī)是(shì)在(zài)一個(gè)方(fāng)向上(shàng)尺寸很小,在另(lìng)外(wài)兩個方向上尺寸(cùn)仍(réng)很大,可見(jiàn)鐵電性(xìng)的(dí)消(xiāo)失(shī),薄膜表麵(miàn)的影(yǐng)響因素(sù)很(hěn)大。所以在薄膜等低維(wéi)係統中尺(chǐ)寸效(xiào)應不可(kě)忽略(lüè),深入了解尺寸(cùn)效(xiào)應需要(yào)研究表(biǎo)麵(miàn)的晶格結構(gòu),偶極(jí)相互(hù)作(zuò)用。薄(báo)膜表麵處(chǔ)的極(jí)化分(fēn)布不連續形成退極化場,對整個係(xì)統(tǒng)的(dí)極化狀(zhuàng)態(tài)產生影響,表麵(miàn)區(qū)域內長(cháng)程(chéng)偶(ǒu)極(jí)作(zuò)用與(yǔ)體(tǐ)內不同(tóng),將導致自發(fā)極化，相(xiāng)變(biàn)溫(wēn)度，極化率等隨(suí)膜厚(hòu)度(dù)而變化。由於(yú)薄膜(mó)的尺(chǐ)寸效(xiào)應和(hé)表(biǎo)麵效應,給理(lǐ)論研(yán)究造(zào)成了(liǎo)很大的困難(nán),但(dàn)也正是由於(yú)這些效應使(shǐ)鐵電薄膜(mó)的(dí)研究(jiū)富(fù)有挑戰(zhàn)性,吸引(yǐn)了(liǎo)大量的(dí)科學工作(zuò)者(zhě)對其進行(háng)研究(jiū),尋求(qiú)簡便(biàn)而合理(lǐ)的方(fāng)法探(tàn)究(jiū)其中(zhōng)的(dí)物理實質(zhì),並(bìng)希(xī)望通(tōng)過理論(lùn)研究,為(wéi)實(shí)驗(yàn)突破(pò)鐵(tiě)電(diàn)薄(báo)膜(mó)在尺寸上的限製給予方向(xiàng)性指導。1)外推長度(dù)的(dí)引入(rù)Kretschme在均(jūn)匀GLD三(sān)維鐵電(diàn)理(lǐ)論的基礎上引(yǐn)進了“外推(tuī)長度(dù)"的(dí)概(gài)念,並(bìng)在GLD自由能的(dí)表(biǎo)達(dá)式中引(yǐn)入了(liǎo)極(jí)化梯(tī)度(dù)項(xiàng)和(hé)一(yī)個表麵自由能項(xiàng),即(jí):

式(shì)中(zhōng),δ為(wéi)“外推(tuī)長度(dù)"。這種(zhǒng)研(yán)究方(fāng)法得(dé)到了廣泛的使(shǐ)用。Tilley和Zeks首先用(yòng)此(cǐ)法研究了鐵(tiě)電薄(báo)膜中二級相變,Scoot等將(jiāng)此(cǐ)法推(tuī)廣到一(yī)級相(xiāng)變(biàn),主要(yào)研(yán)究(jiū)了鐵電(diàn)薄(báo)膜(mó)自發(fā)極化的分布，相(xiāng)變溫度(dù)，矯頑電場(cháng)以及(jí)介電(diàn)常(cháng)數(shù)等特性隨薄膜(mó)厚(hòu)度(dù)的變(biàn)化。但是用這種(zhǒng)方(fāng)法在理(lǐ)論(lùn)計算(suàn)之前(qián),必(bì)須(xū)事(shì)先給(gěi)定(dìng)外(wài)推長(cháng)度,這(zhè)使有“外(wài)推(tuī)長度"這(zhè)一(yī)概念(niàn)所(suǒ)得到結論(lùn)的可(kě)靠(kào)性(xìng)讓人懷疑。現在(zài)已(yǐ)經(jīng)有(yǒu)一些實(shí)驗不支持(chí)“外推長(cháng)度(dù)"的觀(guān)點(diǎn)。M.Kiyotoshi和(hé)K.Eguchi指(zhǐ)出,一個20nm厚的外延型SrTiO3單晶(jīng)薄(báo)膜(mó),它的(dí)介電常(cháng)數(shù)是(shì)160,僅僅比(bǐ)厚度是150nm的膜的介電常數(shù)小15%.Y.Watanabe等也指(zhǐ)出(chū),14nm厚(hòu)的(dí)BaTiO3薄膜呈現相應(yīng)體(tǐ)材(cái)料的晶體對稱(chēng)性(xìng)。然而,仍有很(hěn)多(duō)人(rén)用此觀(guān)點來處理鐵(tiě)電(diàn)薄(báo)膜的表麵/界(jiè)麵效應(yīng)。由於薄(báo)膜製(zhì)備技(jì)術的(dí)限(xiàn)製(zhì),在薄(báo)膜的(dí)表麵(miàn)層(céng)內(nèi),會(huì)存在雜質(zhì)，缺(quē)陷，表麵內應力(lì)以(yǐ)及(jí)電極材(cái)料(liào)和鐵(tiě)電(diàn)薄膜材(cái)料的晶格失(shī)配等因素,使得薄(báo)膜(mó)在(zài)垂直表(biǎo)麵(miàn)方向(xiàng)上(shàng)表現(xiàn)為(wéi)一(yī)個(gè)不均(jūn)匀係統,造成了自(zì)發極化(huà)的不均(jūn)匀(yún)分布,進而使(shǐ)薄膜(mó)的(dí)鐵電(diàn)性(xìng)不(bù)同於三(sān)維(wéi)體材(cái)料(liào)。這種(zhǒng)表(biǎo)麵層被稱(chēng)之為非(fēi)理想表麵層。按照唯象(xiàng)的觀點(diǎn),上(shàng)述這些因(yīn)素改(gǎi)變了(liǎo)自發極(jí)化,意味著(zhuó)在這樣(yàng)的薄(báo)膜(mó)內(nèi)自(zì)由能(néng)分布(bù)是不均匀的(dí)。非理想(xiǎng)表(biǎo)麵層(céng)內(nèi)的(dí)自由能密度大於(yú)或(huò)小於(yú)薄膜(mó)內部深處(chǔ)的(dí)自由能(néng)密(mì)度。文獻的作者認為(wéi)這是造成鐵(tiě)電(diàn)薄(báo)膜物理(lǐ)特性不同(tóng)於(yú)三(sān)維(wéi)體材料(liào)的(dí)根(gēn)本(běn)原因。2)Green函數技術Wesselinowa等(děng)用(yòng)Green函數技術探討(tǎo)了(liǎo)電極化(huà)率(shuài)與鐵電(diàn)薄膜(mó)的厚(hòu)度和(hé)溫度(dù)的(dí)關係(xì)。文中(zhōng)通過建(jiàn)立(lì)表麵處(chǔ)和(hé)體材料(liào)的相互作(zuò)用係數研(yán)究了(liǎo)極化率的變化。聶鵬飛等利用(yòng)雙(shuāng)時(shí)Green函數(shù)技術探討(tǎo)了(liǎo)基於(yú)贗自旋(xuán)-光子相互(hù)作用模型(xíng)的(dí)鐵電薄膜(mó)的極(jí)化率,發(fā)現增大(dà)耦合(hé)作(zuò)用不(bù)僅會使極化(huà)率峰(fēng)值向(xiàng)高溫(wēn)區移動,而且還(huán)存在(zài)耦合(hé)作用的臨(lín)界點,在(zài)該(gāi)點以下(xià)的相變溫(wēn)度比(bǐ)其體材料(liào)的(dí)要(yào)低(dī),隨(suí)膜厚的(dí)減(jiǎn)小(xiǎo)膜的相(xiāng)變溫(wēn)度(dù)也減(jiǎn)小(xiǎo),臨(lín)界點(diǎn)以上與(yǔ)之(zhī)相反,這與用(yòng)GLD熱(rè)力學理(lǐ)論(lùn)得(dé)出的結果相同。