New Progress in Ferroelectrics 铁电物理研究新进展 New Progress in Ferroelectrics 王 忆 Reporter: Wang Yi 天文与应用物理系 yiwang@ustc.edu.cn Tel:3601854 Office Room: 1218 2018/11/15

细推物理须行乐 何用浮名绊此生 杜甫 2018/11/15

1.History of Ferroelectrics (Ferromagnetics) @166（5）5年前后 法国La Rochelled地方人 Pierre de la Seignette最早试制成功罗息盐（RS） （酒石酸甲钠,NaKC4H4O6·4H2O） Sodium Potassium Tartrate Tetrahydrate @1920年 法国人Valasek发现罗息盐的 特异的 非线性介电性能，导致了“铁电性”概念的出现. 1920年成为铁电物理学研究开始的象征？ 目前，世界上存在200多种铁电体 2018/11/15

铁电体的晶体结构：ABO3 (ABF3) perovskite structure with A2+B4+ or A1+B5+ octahedra 铁电相变是典型的结构相变，自发极化的出现主要是晶体中原子位置变化的结果。晶体结构是认识和阐明铁电体性质的基础。 钙钛矿(ABO3) 型铁电体是为数最多的一类铁电体 2018/11/15

钙钛矿结构的一个结构单元 2018/11/15

Pierre Curie was born in Paris, on May 15, 1859. Pierre was killed in a street accident in Paris on April 19, 1906 2018/11/15

Marie died of leukaemia in July, 1934 Born in Warsaw on November 7, 1867 A Nobel Prize Pioneer at the Panthéon The ashes of Marie Curie and her husband Pierre have now been laid to rest under the famous dome of the Panthéon, in Paris, alongside the author Victor Hugo, the politician Jean Jaurès and the Resistance fighter Jean Moulin. Through her discovery of radium, Marie Curie paved the way for nuclear physics and cancer therapy. Born of Polish parents, she was a woman of science and courage, compassionate yet stubbornly determined. Her research work was to cost her her life. 2018/11/15

顺电相：Ba：（0，0，0） Ti：（1／2，1／2 ，1／2）， 自发极化的产生 顺电相：Ba：（0，0，0） Ti：（1／2，1／2 ，1／2）， 3O： （1／2，1／2 ，0）；(1／2，0 ，1／2）； （0，1／2 ，1／2) 铁电相：Ba：（0，0，0） Ti：（1／2，1／2 ，1／2+0.0135）， OⅠ：（1／2，1／2 ，-0.0250）， 2OⅡ： （1／2，0 ，1／2-0.0150）； （0，1／2 ，1／2-0.0150） 2018/11/15

重要特征：铁电体的电滞回线 (hysteresis loop ) OD: Pr remanent polarization OE: Ps spontaneous polarization OF: Ec coercive field E: electric field P: polarization amplitude 2018/11/15

2. 研究内容：bulk materials thin films @核心问题 自发极化 spontaneous polarization @自发极化是怎样产生的？ @自发极化与晶体结构和电子结构有什么关系？ @在各种外界条件作用下极化状态怎样变化？ @特殊的物理性质和应用 2018/11/15

两种铁电结构材料，即罗息盐和KH2PO4系列； 第二阶段（1940—1958年） 五个研究阶段： 第一阶段（1920—1939年） 两种铁电结构材料，即罗息盐和KH2PO4系列； 第二阶段（1940—1958年） Landau铁电唯象phenomenological理论开始建立 ，并趋于成熟； 第三阶段（1959—70年代） 铁电软模(Soft-Mode)理论出现和基本完善； 第四阶段（80年代至今） 主要研究各种非均匀系统。 第五个阶段：96年开始铁电薄膜和铁电薄膜器件 2018/11/15

Lev Davidovich Landau Born: 22 Jan 1908 in Baku, Azerbaijan, Russian Empire Died: 1 April 1968 in Moscow, USSR 2018/11/15

Several Important Concepts: @铁电相变：phase transition of ferroelectrics @铁电相与顺电(paraelectricity)相之间的转变 @居里温度（居里点） Tc 铁电体(ferroelectric) 变成顺电体(paraelectric) @实质 ：自发极化出现或消失 2018/11/15

Domain and Domain Wall Dielectric Constant 2018/11/15

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将对称破缺引入到相变理论，强调对称性的重要性, 对称性的存在与否是不容模棱两可的,高对称性相中 3.铁电理论I：铁电宏观理论--朗道相变理论 将对称破缺引入到相变理论，强调对称性的重要性, 对称性的存在与否是不容模棱两可的,高对称性相中 某一对称元素突然消失,就对应于相变的发生,导致 低对称相的出现。 对称性 有序化程度 序参量：描写系统内部有序化程度，表征相变过程 的基本参量.高对称相中为零，低对称相中不为零 序参量和对称破缺对温度的依赖性 2018/11/15

Landau理论的具体表达： 自由能作于为序参量的函数。 序参量：标量、矢量、张量或复数。 在相变点附近，将自由能展开： 2018/11/15

Ferroelectric Bi3.25La0.75Ti3O12 2018/11/15

使自由能达到极小 使自由能达到极小 连续变化要求， 2018/11/15

Some important quantities can be obtained by : 序参量(order parameter)： 熵(entropy)： 比热(specific heat)： 2018/11/15

如果特征函数连续但一级导数不连续则相变是一级的，如果一级导数连续，但二级导数不连续，则相变是二级的。 特征函数： 弹性吉布斯自由能G 如果特征函数连续但一级导数不连续则相变是一级的，如果一级导数连续，但二级导数不连续，则相变是二级的。 2018/11/15

T0：Curie-Weiss Temperature 将特征函数写为D的各偶次幂之和： T0：Curie-Weiss Temperature 2018/11/15

根据晶体结构测定和理论分析，可将铁电相变分为两种类型： 铁电理论II: 铁电相变的微观理论 从原子或分子机制来说明铁电体的铁电性质 根据晶体结构测定和理论分析，可将铁电相变分为两种类型： (1)位移型: displacive 由于原子的非谐振动，其平衡位置相对于顺电相发生了偏移 (2)有序无序型: order-disorder 多个平衡位置 顺电相原子或原子团在这些位置的分布是无序的，在铁电相它们的分布有序化 (KH2PO4) BaTiO3 兼具两者特征 2018/11/15

软模理论（位移型）： 自发极化的出现联系于布里渊区中心某个光学横模的“软化” 静态位移 集中注意对相变负责的晶胞中少数离子单势阱中的非谐振子 自发极化的出现联系于布里渊区中心某个光学横模的“软化” 静态位移 集中注意对相变负责的晶胞中少数离子单势阱中的非谐振子 软模的机制： 短程排斥力和长程库仑力平衡 2018/11/15

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软模理论 （有序无序型）： 离子在双势阱中的运动 序参量：氢的有序化程度 二能级系统：对称 反对称 隧穿频率 横场Ising模型 静态性质 密度矩阵 配分函数 自由能取极小值 自发极化 居里温度 在外场中 系统哈密顿量 赝自旋系统动力学 二能级系统：对称 反对称 隧穿频率 横场Ising模型 2018/11/15

有序无序系统 赝自旋波 (粒子在双势阱中的运动) 铁电相变的统一理论 振动－电子理论 微观理论的进一步发展: 软模理论： 位移型系统 晶格振动光学横模 有序无序系统 赝自旋波 (粒子在双势阱中的运动) 铁电相变的统一理论 振动－电子理论 2018/11/15

极化方式：不同晶格类型中局部电场与外加电场之间的关系有几种不同的类型，但仍是争论激烈至尽未解决的问题。 “莫索蒂灾难” 极化方式：不同晶格类型中局部电场与外加电场之间的关系有几种不同的类型，但仍是争论激烈至尽未解决的问题。 “莫索蒂灾难” （1）克劳修斯-莫索蒂-洛伦兹模型 （2）昂萨格模型 “空间电荷” 《电介质材料及介电性能》P107 束缚电荷 退极化场 静电能 机械约束 应变、应力能 极化均匀程度与不稳定 电畴domain 畴壁能domain wall 总自由能取极小值的条件决定了电畴的稳定构型 2018/11/15

极化反转的基本过程： 1.新畴成核 2.畴的纵向长大 3.畴的横向扩张 4.畴的合并 2018/11/15

介电响应： 电介质的本质特征：以极化的方式传递、存储、或记录电场的作用和影响 基本参量： 极化率（电容率 permittivity） 铁电体电容率的特点：数值大、非线性效应强、显著的温度和频率依赖性 铁电体结构 缺陷 相变 2018/11/15

压电效应：在某些晶体的特定方向施加压力，相应的表面上出现正或负的电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。 铁电体的几个功能效应： 压电效应：在某些晶体的特定方向施加压力，相应的表面上出现正或负的电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。 热电效应：极化随温度改变的现象 非线性光学效应、电光效应、光折变效应等 2018/11/15

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BaTiO3和PbTiO3都有铁电性，晶体结构和化学方面 都与它们相同的SrTiO3却没有铁电性？ （2） 尺寸效应的研究 5.铁电物理学研究的新进展 ： （1）第一性原理的计算 BaTiO3和PbTiO3都有铁电性，晶体结构和化学方面 都与它们相同的SrTiO3却没有铁电性？ （2） 尺寸效应的研究 自发极化、相变温度和介电极化率等随尺寸变化的 规律，铁电体的铁电临界尺寸 应用量子力学理论，只借助基本常量和某些合理的近似进行的计算称为第一性原理的计算 。这种计算如实地把固体作为电子和原子核组成的多粒子系统，求出系统的总能量，根据总能量与电子结构和原子核构型的关系，确定系统的状态。显然，只有这样的计算才使人们有可能从电子和原子水平认识铁电性。软模理论专注于离子的运动，借助绝热原理实际上忽略了电子的影响。电子作为离子相互作用的中介，是第一性原理计算的主要对象。 2018/11/15

(3) 铁电液晶和铁电聚合物的基础和应用研究 手性分子组成的倾斜的层状C相（SC*相）液晶具 有铁电性。铁电液晶在电光显示和非线性光学方面 有很大吸引力。 (4)集成铁电体的研究 ：铁电薄膜与半导体的集成 铁电随机存取存储器（FRAM） 铁电场效应晶体管（FFET） 铁电动态随机存取存储器（FDRAM） 红外探测与成像器件 超声与声表面波器件以及光电子器件等 铁电薄膜传感器 弛豫型铁电传感器 2018/11/15

Pulsed Laser Deposition (PLD) 2018/11/15

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Problems: 1)Fatigue 2018/11/15

2) Imprint Effect 2018/11/15

Voltage shift phenomena 2018/11/15

oxygen annealed (10 Torr) 2018/11/15

vacuum annealed (10-6) Torr 2018/11/15

3)The polarization distribution around periodic misfit dislocations (a) 15-nm- (b) 40-nm-thicks (001) PbTiO3 film on (001) LaAlO3 substrate 2018/11/15

Atomic-Scale Structure of Ferroelectric Thin Films 1.Materials: SrBi2Ta2O9 (SBT)Thin Films with (001) orientation 2.Substrates: Pt/TiO2/SiO2/Si (100) 3.Growing Method : Pulsed Laser Deposition (PLD) 2018/11/15

4)Compositionally Graded Ferroelectrics (Pb,La)TiO3 thin films on Pt/Ti/SiO2/Si substrates 2018/11/15

5.New material with new propertity --Ferroelectro-magnetic Materials Simultaneous Ferroelectricity,Ferromagnetism 2018/11/15

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Examining Devices 1. Transverse Electron Microscopy (TEM) 2. High-Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) 3. Dielectric Response (frequency,temperature) 4. Scanning Electron Microscopy (SEM) 5. Atomic Force Microscopy (AFM) 6. XRD (X-Ray Diffraction) 2018/11/15

Piezoelectric properties and poling effect of Pb(Zr, Ti)O3 thick films 2018/11/15

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6.Possible Ferroelectric Chips --a "disruptive" technology 1)Volatile memory chips: lose the data they store when the power is turned off. Most common types of volatile memory are DRAM and SRAM. 2)Non-volatile memory chips: retain the data they store after the power is turned off. Most common types of volatile memory are flash and EEPROM. 2018/11/15

3)DRAM (dynamic random access memory): high-density chips used in personal computers to store operating system and applications software. Store data in the form of electric charge on capacitors, which needs to be refreshed thousands of times a second (hence, "dynamic"). 4)SRAM (static random access memory): fast, relatively low-density memory used to store instructions for microprocessors or as a "scratchpad" in applications such as mobile phones. Needs battery back-up to retain contents. 2018/11/15

5).EEPROM (electrically erasable programmable read-only memory): type of chip used for example in conventional smartcards. Needs a high voltage to program and erase, hence not suitable for portable, battery powered applications. 6).Flash: high-density memory used in particular to store bulk data such as digital photographs and mobile phone system software. 7).System-on-chip: sliver of silicon on which are integrated microprocessor, memory and input-output circuits. Increasingly used in consumer electronics to lower cost, reduce power consumption and increase flexibility. 2018/11/15

Thanks for your attention! Nothing is Impossible!!! 2018/11/15