铁电/铁磁复合薄膜多场耦合特性的相场研究

本项目将对铁电/铁磁复合薄膜在力、电、磁多场耦合作用下的微结构演化及行为和特性进行深入系统的研究。结合Landau相变理论和微磁理论建立新的多场耦合相场模型，用于研究铁电/铁磁柱状和层状纳米复合材料中铁电畴和铁磁畴的演化规律、在耦合场作用下的相变和畴变，探讨微观畴结构和宏观特性之间的内在关联。针对磁电薄膜的不同复合形式，考虑不同材料相之间的晶格错配，研究由错配应变所引起的材料磁电耦合特性的改变以及可能出现的新物理现象。利用界面热力学和相场理论中扩散界面概念，来研究相界和畴界的力学、电学和磁学特性，以及由界面所产生的尺寸效应。通过对上述关键多物理场耦合问题的研究，本项目的成果将给出磁电复合薄膜各种宏观性能的微观机理，指出提高磁电耦合效应的各种可能途径，为磁电复合薄膜的工程应用提供理论基础。

本项目在铁电/铁磁材料的相场理论及其应用、多场耦合作用下磁电薄膜的微结构演化、微观畴结构与宏观特性之间的关联、磁电材薄膜能调控等方面取得了创新性的重要研究成果，尤其在“铁电多晶材料和铁磁材料的相场建模”和“多场耦合作用下极化涡旋以及磁化涡旋的演化动力学”两个方面颇具特色。本项目研究成果给出了磁电材料宏观性能的微观解释，指出了提高磁电材料多场耦合性能的可能途径，对磁电材料的理论发展和工程应用具有重要的意义。项目组不仅全面完成了预期的研究目标，而且还对相关的前沿课题进行了有益的探索，具体体现在以下几个方面：. 1. 基于Landau相变理论和非均匀界面热力学理论，考虑不同的晶粒取向，建立了实空间下多晶铁电材料的新型多场耦合相场模型。采用此铁电多晶相场模型分别研究了晶粒取向分布和晶界厚度对铁电材料多场耦合特性的影响，发现晶粒取向分布和晶界厚度可以对铁电材料的多场耦合特性进行有效地调控。. 2. 基于Maxwell电磁理论和Landau相变理论，建立了能够描述铁电材料中载流子迁移的相场模型，并用此模型研究了电导率对铁电材料性能的影响，包括铁电薄膜中畴结构的演化和极化翻转行为。. 3. 基于铁磁材料的热力学理论和微磁模型，构建了实空间下能够包含力磁耦合的铁磁材料新型相场模型。采用此模型对铁磁材料中磁化涡旋在力-磁多场耦合作用下的演化进行了研究，模拟得到了磁化涡旋在磁场下的湮灭和在应变下的反转。. 4. 结合铁电和铁磁材料的新型相场模型，建立了能够同时描述铁电畴和铁磁畴演化的多铁型相场模型，对不同组分和尺寸的磁电复合薄膜的多场耦合性能进行了模拟研究。. 此外，还研究了铁电薄膜中错配应变、原子空位、位错、裂纹以及“死层”等对铁电薄膜多场耦合性能的调控。. 基于以上研究成果在Acta Mater, PRB, APL, IJSS, JAP等期刊上发表SCI收录论文17篇 ，开发了模拟程序两套。项目组成员参加国际会议8次（包含2次邀请报告和1次主旨报告）。项目组已培养硕士毕业生3名，组织了国际研讨会1次和国际/国内学术会议分会场3次。