多晶材料鐵電熱電性質(zhì)蒙特卡羅模擬

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1、山東大學博士學位論文多晶材料鐵電熱電性質(zhì)的蒙特卡羅模擬姓名：張艷飛申請學位級別：博士專業(yè)：材料物理與化學指導教師：王春雷20090410山東大學博士學位論文摘要晶粒長大是純金屬、合金、陶瓷等多晶材料中最普遍的晶粒生長現(xiàn)象，對材料的各種物理化學性能有重要影響。對大多數(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)劣的關鍵因素之一。因此，系統(tǒng)的研究多晶材料晶粒長大過程及其動力學，以及晶粒形貌對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過程的技術已

2、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，為進一步研究晶粒形貌對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基礎。二十一世紀是新技術和新材料飛速發(fā)展的世紀。鐵電材料不僅是重要的電子功能材料，而且被認為是最有應用前景的智能基礎材料，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用，受到了材料科學、物理學、微電子學和信息科學等眾多領域?qū)W者的關注。與鐵電單晶相比，鐵電陶瓷具有制備容易、成本低廉、化學成份可進行調(diào)整以及可做成任意形狀的制

3、品等優(yōu)點；另一方面，因為鐵電陶瓷是燒結(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。自二十世紀八十年代出現(xiàn)納米材料以后，多晶鐵電材料的尺寸效應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)構是影響其物理性質(zhì)的一個重要方面。對鐵電體性能和尺寸關系的研究不僅是一個理論上感興趣的問題，而且具有實際應用的意義，現(xiàn)已成為材料科學中一個倍受重視的課題。迄今為止，還未見在模擬多晶鐵電材料晶粒生長過程的基礎上進一步對其物理

4、性質(zhì)進行模擬研究的報道。熱電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能和熱能直接相互轉(zhuǎn)換的半導體功能材料。在熱電發(fā)電和制冷、恒溫控制與溫度測量以及各種傳感器件等領域具有極為廣闊的應用前景。但是，與傳統(tǒng)的制冷和發(fā)電技術相比，熱電轉(zhuǎn)換技術由于其相對較低的轉(zhuǎn)換效率而在應用上受到一定的限制，因此，對多晶熱電材料的熱電性能進行研山東大學博士學位論文究以提高其熱電轉(zhuǎn)換效率具有很強的現(xiàn)實意義。限域效應是通過多個界面(這里可以看作晶界)來實現(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率，界面效應對聲子散射也通常用來降低熱導率。如何利用限域

5、效應和界面效應的協(xié)同提高多晶熱電材料的熱電性能是本工作的研究重點。隨著計算材料科學的發(fā)展，計算機模擬已逐漸成為除了實驗和理論之外，對材料微觀組織演化及微觀組織設計研究的另一個重要手段。鑒于對多晶材質(zhì)性能模擬的重要性，本論文首次基于Ports．Ising模型利用蒙特卡羅方法，首先模擬了多晶材質(zhì)的晶粒生長過程，進而研究了包括晶粒尺寸在內(nèi)的多種因素對多晶鐵電材料的鐵電以及介電性質(zhì)等的影響，此外，本論文還對多晶熱電材料的熱電性質(zhì)進行了模擬研究。第一章主要介紹了本論文的選題意義及研究概況。首先簡要地介紹了晶粒生長過程的研

6、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Ports．Ising模型。通過對兩種改進的晶粒生長的蒙特卡羅模擬方法的比較，得到了更為準確地反映近穩(wěn)態(tài)晶粒長大特征的策略，且進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鐵電材料的鐵電介電性能及熱電材料的熱電性能進行模擬研究的現(xiàn)狀，由于大部分研究工作是針對單晶和薄膜的情況，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內(nèi)容。最后一部分通過一個例子．利用蒙特卡羅方法確定伊辛帶的寬度閾值．來驗證方法和模擬程序的可靠性。第二章

7、利用發(fā)展的Ports--Ising模型蒙特卡羅方法對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，電滯回線和開關電流的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果符合得很好。對于正常多晶鐵電陶瓷，主要模擬了外界條件(溫度，外加電場幅值及頻率)對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顯著降低，鑒于此可以根據(jù)溫度對電滯回線的影響粗略地確定居里溫度；外電場的頻率越高或者其幅值越大，需要做的功也會越多，從而導致電滯回線

8、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)構逐漸由單疇演化為多疇結(jié)構。此外，剩余極化強度和矯頑場也會隨¨山東大學博士學位論文著晶粒尺寸的增大而增加。進一步的分析發(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相對較小的原因。體系中缺陷的引入不僅降低了剩余極化強度，同時也降低了矯頑場。對極化反轉(zhuǎn)過程的疇結(jié)構分析可以