介电/铁电异质叠层薄膜的界面耦合效应研究

Thin films with only dielectric or ferroelectric function can not meet the need of micromation, multi-function and integration of device. The advanced properties and extended application can be realized by multilayered films, which is fabricated by combining dielectric and ferroelectric materials with outstanding dielectric, fatigue properties and temperature stability. In this project, the research interests are focused on the interface structure of dielectric/ferroelectric heterogeneous laminated thin films and the interaction and coupling effect between the dielectric (paraelectric) and ferroelectric. With the variation of interface structure characters, such as element diffusion, lattice mismatch and bonding, it will be studied the effects of elementary composition, ordering degree and lattice distortion on the dielectric and ferroelectric properties at the interface region. By investigating dielectric response of the dielectric films, the ferroelectric films and the heterogeneous laminated film, it will be studied the interaction and coupling effects of paraelectric and ferroelectric with the various conditions of temperature, frequency and electric field. After then, the relationship between of interface structure and dielectric and ferroelectric properties will be found out. This study focuses on the structure and coupling effect of interface between films with different nature, with the purpose of promoting properties serialization and application development of thin films and high quality integrated microwave devices application theoretically and technically. It also provides a new idea in the field of multiferroic materials research.

随着微波器件向微型化、功能化、集成化发展，单一功能的介电、铁电薄膜已无法满足这一趋势要求。将各具优良介电性能、疲劳特性及温度稳定性的介电和铁电材料制备成异质叠层薄膜，可提高其性能并扩展应用。本项目将重点探讨介电/铁电异质叠层薄膜的界面结构及介电性能与铁电性能的界面耦合效应。通过控制界面处元素扩散、晶格失配及电子成键等界面结构，探讨异质界面处的元素组成、有序度、晶格畸变等对介电与铁电性能的影响；通过研究介电、铁电及异质叠层薄膜分别在外场作用下的介电响应，探讨温度、频率、电场等作用下异质叠层薄膜的顺电相与铁电相之间的相互影响与耦合效应，获得界面结构与介电、铁电性能相关性规律。该项目探讨了两类性质不同薄膜的界面结构与界面耦合效应，为实现薄膜材料介电性能系列化及功能与应用拓展提供理论依据与技术支撑，对实现微波器件的集成化和高品质化具有重要的实际意义和理论价值。也为多铁材料的深入研究提供一种思路。

随着微波器件向微型化、功能化、集成化发展，单一功能的介电、铁电薄膜已无法满足这一趋势要求。将各具优良介电性能、疲劳特性及温度稳定性的介电和铁电材料制备成异质叠层薄膜，可提高其性能并扩展应用。.按照项目研究计划及内容要求，本项目重点探讨了介电/铁电异质叠层薄膜的界面结构及介电性能与铁电性能的界面耦合效应。采用水溶液凝胶法分别制备了长期稳定澄清的A(Mg1/3B2/3)O3 (A=Ba, Ca; B5+=Nb, Ta)前驱体溶液，成功合成了系列化合物，并通过异质叠层技术制备了A(Mg1/3B2/3)O3/PZT 异质叠层薄膜，获得了不同的膜厚及不同排列方式A(Mg1/3B2/3)O3/PZT 异质叠层薄膜的制备工艺参数，掌握了制备介电/铁电异质叠层薄膜的快速高效制备技术；采用第一性原理电子结构计算和模型设计，分析电子结构对薄膜材料介电性能的影响及影响规律。探讨了组成、晶体结构及有序度等对薄膜电极化机理和介电弛豫等的影响及其影响规律，获得了薄膜在外场作用下的介电响应机制；分析了介电/铁电复合薄膜的界面结构、界面应变、界面极化，探讨其界面对介电及铁电性能的影响及其影响规律。探讨了A(Mg1/3B2/3)O3/PZT异质叠层薄膜在温度、频率、电场等物理场下的响应，获得了薄膜的应变、剩余极化等相变特点和极化机制。研究了A(Mg1/3B2/3)O3/PZT 异质叠层薄膜中顺电相的极化响应与铁电相的应变之间的相互影响及耦合效应。.本项目研究内容全部按原计划完成，同时获得了介电损耗低、抗疲劳特性好、温度稳定性好并具有介电可调等特性的系列异质叠层薄膜材料。依托本项目，在国内外有学术影响力的刊物上发表20篇学术论文，授权国家发明专利3项，获得中国发明创业成果奖一等奖（第4完成人）1项，高等教育国家级教学成果二等奖（第9完成人）1项，湖北省高等学校教学成果奖一等奖（第5完成人）1项，指导本科生获省优秀毕业论文2名，指导本科生参与国家级大学生创新创业训练计划及自主创新项目6名。培养硕士研究生3人、博士研究生5人。本项目的研究成果丰富了材料科学、介电物理学及制备技术的知识体系，为介质复合材料结构设计与应用开发研究提供科学依据。