低维铁电材料的制备、力学表征及其微器件应用-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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低维铁电材料的制备、力学表征及其微器件应用

项目名称：低维铁电材料的制备、力学表征及其微器件应用
项目类别：国家杰出青年科学基金
批准号：10825209
申请代码：A020306
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2009-01-01-2012-12-31

项目负责人：郑学军
负责人职称：教授
依托单位：湘潭大学
批准年度：2008

中文摘要：

在"低维铁电材料的制备、力学表征及其微器件应用"研究方面开展了一系列工作，主要涉及《国家中长期科学和技术发展规划(2006－2020)》的重点领域和前沿技术。可望获得能应用于微传感器的无铅压电薄膜和纳米结构，形成自主知识产权。主要学术成就在于制备出了性能较好的压电/铁电薄膜和铁电场效应晶体管原理型器件；建立了预测铋类铁电薄膜极化和变形行为的理论模型；提出了用纳米压痕技术研究铁电薄膜界面结合强度的新方法；改进了表征残余应力的传统方法模型并成功测量了铁电薄膜的残余应力。拟开展研究需解决的关键科学问题是取代机理和择优生长与压电性能的关联；极化旋转和电-机械性能驱动机制；多层压电薄膜体系的压电增益及制作相应微器件。预期获发明专利5项和发表SCI收录论文15篇以上，培养博士3人。该研究工作是固体力学、低维智能材料、凝聚态物理和微电子器件多学科领域交叉的尝试。

中文主题词：低维铁电材料；力电耦合；应变超晶格；无铅弛豫压电薄膜；微纳器件

英文摘要：

Low dimension ferroelectric ma；Mechanical-electrical coupling；Strain superlattice；Lead-free relaxor piezoelectri；Micro- nano- device

英文主题词： Low dimension ferroelectric ma；Mechanical-electrical coupling；Strain superlattice；Lead-free relaxor piezoelectri；Micro- nano- device

结论摘要：

目前微制造技术基本上借用了IC制造中的工艺设备和工艺路线，起主导作用的力或物理效应与常规宏观制造系统有所不同，因此微制造技术要求发展新的分析方法和工具。低维铁电材料的制备、力学表征及其微器件应用对以下三个方面进行了研究微纳制造及材料设计的力学基础方面，（1）采用不同组分、掺杂、电极和退火温度，成功制备高压电性能的铁电薄膜，研究了微纳制备工艺参数对低维铁电材料力学性能的影响，建立了取代机理和择优生长与压电性能的关联。研究取向生长和准同型相界区的相变特征与电-机械性能，成功制备高压电性能和电致伸缩性能的弛豫铁电薄膜。（2）微纳材料力学性能的模拟设计包括用动力学蒙特卡罗方法数值模拟铁电薄膜PLD生长过程；提出用有限单元法结合纳米压痕技术估算铁电薄膜和纳米带的弹性常数/压电系数等的方法；用非线性有限元方法模拟热冲击下铁电薄膜表面贯穿裂纹和边缘裂纹的断裂行为。（3）开展纳米结构新奇特性及其在微纳压电敏感材料装置与器件的应用研究，成功制备共平面气、湿敏传感器和半导体纳米带光电导开关。微纳材料力学，（1）低维铁电材料力学性能表征包括采用纳米压痕技术表征了BNT基和半导体纳米纤维的力电耦合性能和光机械性能及尺寸效应；以低维铁电/压电材料本构关系为切入点，提出取向平均方法并表征了多晶铁电薄膜的残余应力。（2）研究了不同退火温度对BNT基铁电薄膜电学性能和电致伸缩性能的影响，探讨了弛豫铁电薄膜临界超大压电性能机制，驱动电场为391 kV/cm下BNT基铁电薄膜的最大电致应变为0.26%；提出弛豫铁电薄膜临界性能极性纳米微区理论的弛豫机制。微纳器件力学，（1）考虑铁电薄膜器件的“器件多变量耦合关系”，提出压电本构历史电场效应提出描述电容器电学性能的模型；考虑介电常数的电场依赖效应，研究了高介电铁电薄膜的空间电荷限制电流。（2）以膜/基体系界面失配为切入点，分析不同缓冲层和电极层的压电致动器致动的性能，探讨了铁电薄膜微器件的“界面效应”。（3）利用微器件的“应变效应”，设计制作了剪切型压电俘能器，并提出实验方法模型成功测量了PZT和PMN的压电应变系数d15；基于金兹堡-朗道理论，研究了MFIS电容结构的界面晶格失配对其电容-电压和记忆窗口等电学性能的影响。在国际期刊上发表SCI收录论文56篇，授权国家发明专利4项，获湖南省自然科学奖1项。培养博士后1名，博士生4名，硕士生21名。

成果综合统计