KNbO3材料铁电性能的相场方法研究

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雅宝题库解析：
铁电材料KNbO3 是一种铁电性很强的钙钛矿型氧化物，其非线性光学品质因数、电光及光折变品质因数在所有的氧化物晶体中都名列第一。近年来，研究人员又发现KNbO3 晶体具有优异的压电性能，其声光Q 值比LiNbO3 和水晶的值都要高一个数量级以上。同时，KNbO3 作为一种环境友好的无铅铁电材料而备受关注。因此，铁电材料KNbO3 在信息化和高技术领域中必将大有用途。然而，由于生长大尺寸的KNbO3 晶体较为困难，且多畴结构晶体极化为单畴晶体以及单畴晶体的冷加工容易使KNbO3 发生龟裂，从而导致KNbO3 的实验研究较为滞后。计算模拟的方法将为研究KNbO3 的物理相变和相关铁电性质提供了有效的研究手段。尽管早在1954 年便有一些研究人员采用计算的手段如Landau-Ginsburg-Devonshire (LGD) 热力学唯象理论和随后的第一原理方法研究了KNbO3 的相变特性，但均没有在整个相变温度范围内对KNbO3 进行系统研究。特别是关于铁电物理研究热点之一的低维体系（KNbO3 薄膜）的研究更是鲜有报道。本论文将在调研大量有关KNbO3 铁电性质的基础上，采用热力学唯象理论(LGD)以及相场方法系统地研究其相变特性和铁电性能。   我们首次构造一个能够用于描述KNbO3 晶体在整个相变温度范围的铁电、介电和压电性质的LGD 热力学自由能函数。基于现有实验参数拟合得到的LGD自由能函数可以模拟和预测KNbO3 单晶的结构和铁电特性，如极化矢量、介电常数、压电系数、相变点处的熵和潜热变化等等，并与实验测量值作对比以验证拟合得到的自由能函数的正确性。此热力学函数不仅可以很好的描述现有的KNbO3 的铁电性能，并可预测一些未知的或实验上较难测量的物理量，亦可为相场计算方法提供势函数，为下一步研究多畴KNbO3 单晶和薄膜的性能打下基础。    鉴于KNbO3 拥有良好的压电性能及有关这方面的研究较少，我们根据热力学唯象理论计算并预测了单畴KNbO3 晶体压电系数与温度的关系。同时，我们还计算了压电系数张量d33与晶体取向之间的关系。结果表明压电系数d33*的最大值不总是沿着极化矢量的方向。d33*沿着非极化矢量方向的增加归因于发生铁电相变时极化矢量的方向发生改变而产生的介电软化行为。在假定只发生一级相变的前提下，外加压强对于KNbO3 压电系数的影响可认为与温度的影响类似。外加电场沿着极化矢量的方向对于KNbO3 晶体有额外的不稳定作用，增加电场将大大降低体系的压电效应。同样，d33*的最大值及其取向在外场的作用下将发生改变。   在此基础上我们采用相场方法计算多畴KNbO3 晶体的铁电性能，模拟了KNbO3 单晶在不同铁电相的畴结构及畴壁的取向，并跟踪了相变过程中畴结构随时间的演化过程。室温下得到的计算结果与实验测量吻合较好。然后，我们计算了在外加电场作用下，KNbO3 晶体的极化矢量随外电场的反转效应，计算给出了电滞回线。同时，我们首次采用相场方法计算了存在约束应力边界条件下KNbO3 单晶的温度-压强相图，与LGD 热力学势计算得到的结果相比，相场方法的计算结果在相界处存在两相共存的区域。进一步，我们考虑到在低温下极化矢量的量子饱和效应，基于对经典LGD 热力学势的量子力学修正，构造了温度-压强相图。在低温高压区域，极化矢量达到饱和而与压强无关，结果导致相变温度Tc与压强成非线性的关系，相变温度比经典热力学势得到的值更低。    对于低维体系的KNbO3薄膜来说，我们采用相场方法模拟了多畴结构中的衬底约束应变对于其畴结构演化的影响。同时，研究了不同外加电边界条件（开路和短路边界条件）对于KNbO3薄膜畴结构的影响。在短路边界条件下，我们采用LGD热力学唯象理论和相场方法构造了温度－衬底应变相图，为实验上研究衬底对于KNbO3薄膜的铁电性能提供了数据参考和理论指导。