氧缺位及应变诱发的纳米钛酸钡铁电材料保持失效机理研究

铁电存储器(FeRAM)被认为是下一代最具有潜力的存储器之一，在计算机、汽车电子、消费电子、通信、工业控制、仪表、航空航天和军工等领域具有广阔的应用前景。然而，铁电材料剩余极化的保持失效，会造成数据丢失，甚至导致器件报废。这严重制约了FeRAM的发展。本课题组首次提出材料中氧缺位的特定排布方式是诱发保持失效的原因之一。在材料整体无应变的情形下，缺位会引起材料内部局部应变异常，虽然人们已知应变也会诱发保持失效，但是二者的耦合效应尚不清楚；同时，缺位和应变诱发的保持失效是否具有相同的微观机理，目前国内外还没有相关研究。本项目拟紧扣晶胞极化，电畴形成的物理机制建立模型，结合分子动力学和分子统计热力学方法，从电畴结构和切换模式的角度探索钛酸钡中氧缺位与材料所处的应变状态以及二者的耦合效应对材料各铁电相电滞回线的影响，通过以上工作阐明保持失效的力学机制。

铁电陶瓷由于其优异的物理、光学、电学性质而引起了广泛的关注。这类陶瓷在执行器、纳米发电机、电容以及存储器领域有广泛应用。内在因素如氧缺位、堆垛层错等微观结构，外界因素如应变均对陶瓷的铁电性能及其力学性质有重大影响。本项目研究了微观结构和应变率效应对陶瓷剩余极化的保持力及其力学性能的影响。主要研究内容包括：（1）研究了氧缺位对钛酸钡陶瓷四角相铁电行为的影响，阐明氧缺位破坏其近邻晶胞的电中性，迫使这些晶胞发生严重扭曲，致使电畴切换困难，最终导致其保持失效；（2）系统分析了纳米尺度微观结构对陶瓷力学性能的影响，揭示了陶瓷室温大塑性变形的机制在于晶粒沿晶粒间非晶层的相对滑动和自愈合行为在一维脆性纳米结构中的普遍性；（3）进一步发展了分子统计热力学计算方法，用其说明应变率效应的机制源于原子热振动周期和外界加载率之间两种特征时间尺度的竞争。该项目的成果为微观结构对陶瓷力学性能的影响提供了较好的理解，为获取更多优异力学性能的陶瓷在微结构设计上提供了指导。