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应变对铁电薄膜电热性能的调控

作　者: 张夏
导　师: 王金斌
学　校: 湘潭大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 铁电薄膜朗道-德文希尔理论电热效应相图失配应变
分类号: TB383.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

电热制冷因其无污染、高效率、固态制冷等优点,在芯片制冷、传感器及其它电子器件的温度调节等方面具有广泛的潜在应用。近年来,随着铁电薄膜巨电热效应（温度改变?T =12 K）的发现和薄膜技术的飞速发展,人们对铁电薄膜的电热效应及其在制冷方面的应用产生了极大的兴趣。但是,目前在铁电薄膜中发现的较大电热效应只存在于很小的温度范围内,而实际应用中的制冷器件往往需要在较宽的温度范围内工作。因此,如何使铁电薄膜材料在较宽的温度范围内具有大的电热效应,是铁电薄膜能否在制冷中得到应用所面临的一个重要问题。本论文在朗道-德文希尔（Landau-Devonshire）铁电相变理论的基础上以钛酸钡（BaTiO₃）、钛酸铅（PbTiO₃）和锆钛酸铅(PbZr_1-xTi_xO₃)三种铁电薄膜为例,研究了外加电场、平面内失配应变对单晶铁电薄膜电热制冷性能的影响,并构建了它们在不同外加电场下的温度-应变相图。通过对相图和电热制冷性能的对比分析,揭示了单晶铁电薄膜电热制冷性能与铁电相变的关系,发现通过应变的调控可以改变单晶铁电薄膜电热制冷性能的工作温度范围,因此应变调控对未来电热效应在室温制冷方面的应用具有重要的作用。具体研究内容和结果如下:首先,构建了钛酸钡单晶铁电薄膜在不同外加电场下的温度-应变相图,并结合相图对应变调控下钛酸钡的电热性能进行了分析。分析结果表明:拉伸应变使钛酸钡薄膜的电热制冷性能（温度改变）在接近室温的较宽温度范围内具有较大温度改变,但是温度改变的最大值降低（1.2 K）;压缩应变使得钛酸钡薄膜的电热制冷性能的最大值向高温方向扩展,只在一个小温度范围内具有大的温度改变且其最大值增加（1.6 K）。通过与相图对比分析,我们认为这些变化是由于相变温度的改变引起的。另外,电场对钛酸钡薄膜的电热制冷效应也具有很大的作用。因此,合理地控制应变和电场就可以获得在接近室温的较宽的温度范围内具有较大温度改变的铁电薄膜材料,这对未来的固体薄膜材料的室温制冷应用有着重要的意义。其次,引入平面各向异性应变,以钛酸铅和锆钛酸铅薄膜为例,研究了平面各向异性应变对薄膜电热制冷性能的影响。研究结果表明:钛酸铅和锆钛酸铅具有更大的电热效应（温度改变远大于钛酸钡）;合理地调节平面内各向异性应变可以获得在室温附近具有更大的电热效应（温度改变大于6 K）且工作温度范围更宽的铁电薄膜材料,这使电热效应在室温制冷的应用方面有了进一步的发展。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 铁电体及铁电薄膜介绍  9-14
    1.1.1 铁电体概述  9-11
    1.1.2 铁电材料的发展历史  11
    1.1.3 铁电体的晶体结构与铁电相变  11-13
    1.1.4 铁电薄膜概述  13-14
  1.2 电热制冷及其进展  14-17
    1.2.1 制冷方法简述  14-15
    1.2.2 电热制冷及其发展现状  15-17
  1.3 应变工程简述  17
  1.4 本文的选题依据、研究方法及主要内容  17-19
    1.4.1 本文的选题依据  17-18
    1.4.2 本文采用的研究方法  18
    1.4.3 本文的主要内容  18-19
第2章铁电薄膜相变与电热性能的热力学基础  19-24
  2.1 热力学特征函数  19-20
  2.2 力电耦合条件下的热力学函数  20
  2.3 铁电相变中的自发极化与应变  20-21
  2.4 薄膜边界条件下的热力学函数  21-22
  2.5 铁电薄膜的电热性能  22-24
第3章应变调控钛酸钡铁电薄膜电热性能的模拟与分析  24-34
  3.1 钛酸钡薄膜的热力学函数  24
  3.2 钛酸钡薄膜在应变调控下的极化分布和相图  24-28
  3.3 钛酸钡薄膜在不同电场下的相图  28-29
  3.4 钛酸钡薄膜在不同电场下的熵变  29-31
  3.5 应变对钛酸钡薄膜电热效应的影响  31-32
  3.6 电场对钛酸钡薄膜电热效应的影响  32-33
  3.7 小结  33-34
第4章平面内各向异性应变对钛酸铅系列铁电薄膜电热性能的影响  34-51
  4.1 引言  34
  4.2 钛酸铅薄膜的室温应变-应变相图  34-36
  4.3 平面内各向同性应变对钛酸铅薄膜电热性能的影响  36-40
    4.3.1 平面内各向同性应变下电场对钛酸铅薄膜极化的影响  36-39
    4.3.2 平面内各向同性应变对钛酸铅薄膜电热性能的影响  39-40
  4.4 平面内两向相异应变对钛酸铅薄膜电热性能的影响  40-43
    4.4.1 平面内两向相异应变下电场对钛酸铅薄膜极化的影响  40-42
    4.4.2 平面内两向相异应变对钛酸铅薄膜电热性能的影响  42-43
  4.5 平面内单个方向应变对钛酸铅薄膜电热性能的影响  43-46
    4.5.1 平面内单个方向应变下电场对钛酸铅薄膜极化的影响  43-46
    4.5.2 平面内单个方向应变对钛酸铅薄膜电热性能的影响  46
  4.6 锆钛酸铅铁电薄膜的电热性能  46-50
    4.6.1 不同组分对锆钛酸铅铁电薄膜电热性能的影响  46-47
    4.6.2 应变下不同组分对锆钛酸铅铁电薄膜电热性能的影响  47
    4.6.3 不同应变对锆钛酸铅铁电薄膜电热性能的影响  47-50
  4.7 小结  50-51
第5章总结与展望  51-53
  5.1 论文总结  51-52
  5.2 工作展望  52-53
参考文献  53-60
致谢  60-61
攻读学位期间发表论文目录  61

应变对铁电薄膜电热性能的调控

内容摘要

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