应变梯度对铁电材料力电耦合性能的调控

In this project, a new phase field model will be proposed for ferroelectric materials based on the Landau-Devonshire nonlinear thermodynamics theory. The phase field model includes the coupling between the strain gradients and polarization, which can describe the flexoelectricity and surface effect of ferroelectric materials. A hierarchical multiscale model will be developed for micro- and nano-scale ferroelectric materials by combining the first-principles calculation and the proposed phase field model. The multiscale model will be employed to investigate the effect of strain gradients,surface and defects on the apparent piezoelectric coefficients, dielectric constants and elastic constants. The influence of strain gradients and defects on the nucleation and growth of new domain and the motion of domain wall will be studied. The intrinsic relations between the flexoelectricity, surface effect, microscopic domains and macroscopic material properties will be examined. Based on the tuning principles of flexoelectricity, surface effect and defects, different boundary conditions of surface and different models of strain gradient will be devised to optimize the domain structures for the micro and nano ferroelectric materials with different geometries, which will eventually enhance the mechanical, electrical and multi-field coupling properties of the materials.

本项目将基于铁电材料Landau-Devonshire非线性热力学理论，考虑材料中应变梯度和电极化的耦合，提出能够同时包含挠曲电效应和表面效应的新型相场模型。结合第一性原理计算和新型相场模型，建立微纳米尺度下铁电材料分层次的多尺度理论模型。采用多尺度的理论模型预测应变梯度、表面效应和晶体缺陷对铁电材料表观压电系数、介电常数和弹性常数的调控作用。研究应变梯度和晶体缺陷对铁电材料中新畴形核与长大以及畴壁运动的影响。探讨挠曲电效应和表面效应与材料微观畴结构及宏观性能之间的内在关联。基于挠曲电效应、表面效应以及晶体缺陷调控的基本原理，针对含有不同晶体缺陷的微纳米铁电材料，设计相应的表面边界条件和应变梯度模式，优化畴结构的空间分布，以提高材料力学、电学及多场耦合性能。

挠曲电效应是指应变梯度和电极化的线性耦合，可被用来增强压电材料的压电效应，或者在非压电材料中实现压电效应。对块体材料来说，挠曲电效应一般很小，相对压电效应甚至可以忽略不计。对于微纳米尺度下的材料，应变梯度可以产生与压电效应相匹配甚至更大的电极化，因此挠曲电效应不能忽略。本项目基于非线性热力学理论，考虑极化与应变梯度、应变与极化梯度之间的耦合，建立了包含挠曲电效应的铁电相场模型。采用第一性原理计算和相场模拟，研究了应变梯度、应变、晶体缺陷和表界/面效应对铁电材料的铁电、压电、磁电、电热等多场耦合特性的影响，探讨了材料性能改变的内在微结构机理。本项目取得主要成果为：.（1）建立了基于等几何法的包含挠曲电效应的铁电相场模型，研究了挠曲电效应对铁电材料的极化分布和宏观特性的影响，发现挠曲电效应在铁电材料中会产生附加的内电场，从而使铁电畴的数目增多，同时使铁电材料的电滞回线会产生偏移。对铁电纳米点来说，挠曲电效应会诱导出面外极化，导致极化涡旋翻转的骄顽场增大。此外，发现不同的应变梯度模式，对微观畴结构、电滞回线等的影响有很大的不同。这些结果为理解不同应变梯度对铁电材料性能调控提供了微观的机理解释。.（2）通过非局部的热力学理论分析，得到了压电/介电超晶格中极化分布的解析表达式，发现在超晶格界面存在很强的压电和挠曲电耦合，从而导致压电系数的增强。通过优化设计压电/介电超晶格的层厚比，得到了通过挠曲电效应在压电/介电超晶格中增强压电效应的新方法。此外，还发现挠曲电效应会导致纳米材料的力电耦合特性以及弹性存在很强的尺寸依赖性。.（3）采用第一原理计算，研究了应变、晶体缺陷和表面效应对铁电材料的铁电、磁电、电热等多场耦合特性的影响； 发现氧空位和位错等晶体缺陷在铁电材料中会诱导出磁性；发现应变通过与其它晶格畸变的耦合，在非铁电超晶格材料中诱导出非本征铁电性，为应变调控新型铁电材料的多场耦合性能提供了理论依据。..基于本项目的研究成果在Nano Letters, JMPS，Acta Mater, PRB, APL等期刊上发表SCI收录论文26篇 ，已培养硕士毕业生4名，博士毕业生1名，2人次获得研究生国家奖学金, 1人获得浙江省优秀博士毕业研究生。