一维铁电纳米线和纳米管的表面及尺寸效应研究

随着现代微、纳信息技术的迅猛发展，光电器件微型化的需求引领铁电材料研究朝着微、纳尺度及高集成化方向发展。由于铁电纳米线、纳米管是制备铁电微、纳器件的关键材料，因而深入研究其相关特性显得非常重要。一维铁电纳米线、纳米管与体材料相比，在性质上存在巨大差异，当尺寸降到纳米范围时，表面及尺寸效应对其性能影响至关重要。对于一维铁电纳米线、纳米管的制备及性能测试研究近年开始被报道，但关于其纳米尺度下的微观量子结构、表面及尺寸效应理论机理以及相关特性变化规律等理论研究报道甚少。本项目主要以典型ABO3型铁电纳米线、纳米管为重点，力求运用力学、热力学、相场理论及第一性原理方法，系统建立铁电纳米线、纳米管的性能解析模型，全面分析表面及尺寸效应本质机理，深入探讨铁电纳米线、纳米管相变、极化、介电、微观结构、铁电畴演化、压电、热电等性能。研究结果将为探讨低维纳米铁电材料性能和微、纳铁电器件设计开发提供理论保障。

基于近些年来科研人员对微、纳器件的研究，总结而言光电器件微型化的需求引领功能材料研究朝着微、纳尺度及高集成化方向发展。由于功能材料相关的纳米线、纳米管是制备功能微、纳器件的关键材料，因而深入研究、分析和总结其相关特性显得非常重要。多年来我们一直针对低维功能铁电材料的进行研究，一维铁电纳米线、纳米管与体材料相比，在性质上存在巨大差异，当尺寸降到纳米范围时，表面及尺寸效应对其性能影响至关重要。在本项目的支持下，课题组近三年系统研究了一维铁电纳米线、纳米管的相关特性。理论方面，本项目主要以典型铁电纳米线、纳米管为重点，运用连续介质力学、唯相热力学、相场理论及第一性原理方法，系统建立了考虑表面张力、表面边界及尺寸效应的铁电纳米线、纳米管相关特性解析模型、相场动力学模型及分子动力学模型，全面分析表面效应及尺寸效应本质机理，深入探讨了铁电纳米线、纳米管相变、极化、介电、微观结构、铁电畴演化等特性随尺寸、温度改变的变化规律；更重要的是，研究结果发现一维铁电纳米线、纳米管的表面张力对内部极化和居里温度的增强机制，解析给出了其表面增强的理论模型；实验方面，我们分别制备了多根及单根铁电纳米线、纳米管，结合理论研究系统分析和测量了其相关特性，总结出铁电纳米线及纳米管诸多特有的性能。在本项目资助下，课题组研究成果共发表SCI收录学术论文20余篇，其中包括Scientific Reports, ACS Nano, Acta Mater, Appl. Phys. Lett.等顶尖及高影响期刊。总体而言，我们完成了本项目的既定方案和目标，研究结果更为进一步探讨探讨低维纳米铁电材料性能和微、纳铁电器件设计开发提供理论基础。