外場作用下鐵電薄膜的斷裂增韌行為及疇變判據(jù)研究.pdf

1、鐵電薄膜,由于具有良好的力電耦合性能,在過去二十年里廣泛應(yīng)用于高壓電容器、傳感器和鐵電場效應(yīng)晶體管等。然而,當(dāng)鐵電薄膜用于微器件工作時(shí)會(huì)遭受外場作用。自然地,鐵電薄膜可能由于熱載荷、電載荷和機(jī)械載荷而誘致失效。當(dāng)鐵電薄膜受到較大外場作用時(shí),可能會(huì)發(fā)生疇變,并且這種疇變特性廣泛應(yīng)用于微電子器件中。值得注意的是裂紋尖端附近發(fā)生的疇變會(huì)引起鐵電薄膜的斷裂增韌行為。因此,在研究鐵電薄膜斷裂機(jī)制時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮外場和疇變作用。此外,由于疇變是電滯回線和

2、蝶形曲線的源動(dòng)力,并且對(duì)于鐵電材料極化過程中的技術(shù)開發(fā)也有著重要意義。研究者們對(duì)于大塊鐵電材料已經(jīng)提出了一些疇變判據(jù)來模擬由疇變而誘致的鐵電響應(yīng)行為。然而,對(duì)于鐵電薄膜中疇變判據(jù)的研究卻很鮮見。因此建立恰當(dāng)?shù)蔫F電薄膜疇變判據(jù),從微觀鐵電電疇出發(fā)研究材料的宏觀鐵電響應(yīng),并以此指導(dǎo)新型鐵電微器件的開發(fā)與應(yīng)用,是當(dāng)前需要解決的一項(xiàng)任務(wù)。本文創(chuàng)新之處在于基于小范圍疇變理論了研究了連續(xù)激光輻照下含邊緣裂紋和中間貫穿裂紋的斷裂增韌行為?？紤]鐵電薄膜

3、中殘余應(yīng)力和由于基底嚴(yán)格約束產(chǎn)生的固有應(yīng)變能影響,提出了一個(gè)新的疇變判據(jù)。其主要研究內(nèi)容分以下三個(gè)部分:
　　1.基于小范圍疇變理論,通過對(duì)連續(xù)激光輻照下遠(yuǎn)場應(yīng)力強(qiáng)度因子KΙapp和90°疇變所致屏蔽應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔKΙ進(jìn)行疊加,得到了含Ι型邊緣裂紋Pb(ZrxTi1-x)O3薄膜的近尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KΙtip。KΙapp和ΔKΙ都是通過權(quán)函數(shù)方法求解得到的。定義屏蔽應(yīng)力強(qiáng)度因子和遠(yuǎn)場應(yīng)力強(qiáng)度因子之比ΔKΙ/KΙapp為增韌率,以此

4、來表示斷裂增韌的程度,并將其表示為初始極化角φ的函數(shù)去評(píng)估疇變效應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明初始極化角在很大程度上影響著邊緣裂紋近尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子KΙtip,并且隨著初始極化角的增加,疇變區(qū)將會(huì)增韌裂紋尖端。
　　2.基于有限元軟件ANSYS數(shù)值模擬,分析了連續(xù)激光輻照下的含中間貫穿裂紋Pb(ZrxTi1-x)O3薄膜90°疇變所誘致的斷裂增韌行為。結(jié)果表明在激光作用過程中,靠近Pb(ZrxTi1-x)O3薄膜中心的裂紋處的增韌行為要大于靠近

5、邊緣裂紋處增韌行為。
　　3.區(qū)別于傳統(tǒng)大塊鐵電材料疇變判據(jù),考慮沿薄膜厚度分布的殘余應(yīng)力和薄膜/基底體系里的由于基底嚴(yán)格約束產(chǎn)生的固有應(yīng)變能,提出一個(gè)新的疇變判據(jù)模擬力電聯(lián)合作用下鐵電薄膜的電滯回線和蝶形曲線。鐵電薄膜中的殘余應(yīng)力作為外加載荷貢獻(xiàn)給Gibbs自由能。對(duì)于90°和180°疇變分別采用不同的臨界能量勢壘,并且固有應(yīng)變能也被添加到該能量勢壘。一旦疇變驅(qū)動(dòng)力超過相應(yīng)的Gibbs自由能勢壘,90°和180°疇變就將會(huì)發(fā)生。