BaTiO3多晶纳米薄膜畴结构的应变调控

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0069

摘要/Abstract

摘要： BaTiO₃铁电纳米薄膜由于受不同基底约束而呈现复杂的畴结构形式及独特的非线性电力学行为。本文采用连续介质热力学框架下的相场模型，研究不同拉压应变下的极化快速翻转过程给铁电多晶纳米薄膜系统带来的新特性。与现有单晶外延薄膜研究相比，本文充分考虑晶界效应及晶粒取向等因素，分别模拟了两种晶粒尺寸（60和10 nm）下，面内应变对铁电多晶纳米薄膜微观畴结构和电力学特性的影响规律。结果表明，晶粒尺寸为60 nm时，矫顽场和剩余极化均单调减小，即较大的压应变可以有效提高纳米薄膜铁电性能；然而当晶粒尺寸为10 nm时，过大的压应变却会导致剩余极化和矫顽场突然减小。此外，与单晶薄膜相比，由于多晶薄膜存在晶界，不同拉压应变下薄膜的畴结构（90°畴、180°畴和涡旋畴结构，）呈现多样性，使多晶薄膜产生了多样复杂的电力学特性。本文从铁电材料内部微结构入手，探究铁电纳米薄膜的微观机理，以实现铁电材料宏观性能的应用和调控，为设计高性能的铁电纳米薄膜微电子器件提供理论指导。

关键词: BaTiO₃; 铁电多晶纳米薄膜; 相场方法; 畴结构; 应变调控; 面内应变; 尺寸效应

Abstract: BaTiO₃ ferroelectric nanofilms demonstrate intricate domain structures and distinct nonlinear electromechanical behaviors as a result of the constraints imposed by diverse substrates. This work utilized a phase field model grounded in the framework of continuum thermodynamics to investigated the novel characteristics imparted to ferroelectric polycrystalline nanofilm systems by the rapid polarization reversal process under different tensile and compressive strain conditions. In contrast to existing studies focusing on single-crystal epitaxial films， this paper comprehensively examined factors including grain boundary effects and grain orientation. It further simulated the impact of in-plane strain on the microstructural domain structure and electromechanical characteristics of ferroelectric polycrystalline nanofilms， considering two distinct grain sizes， 60 and 10 nm. The results indicate that for a grain size of 60 nm， both the coercive field and remnant polarization decrease monotonically， suggesting that increased compressive strain effectively enhances the ferroelectric properties of the nanofilm. Conversely， at a grain size of 10 nm， excessive compressive strain results in a sudden reduction in both remnant polarization and coercive field. Furthermore， in contrast to single-crystal films， due to the existence of grain boundaries in polycrystalline films， the domain structures （90° domains， 180° domains and vortex domain structures） of the films under different tensile and compressive strains show diversity， even if the polycrystalline films produce a variety of complex electromechanical characteristics. This study explores the micro-mechanisms of ferroelectric materials by examining their internal microstructure， with the aim of facilitating the application and regulation of the macroscopic properties of ferroelectric nanofilms. The findings provide theoretical guidance for the design of high-performance ferroelectric nanofilms microelectronic devices.

Key words: BaTiO₃; ferroelectric polycrystalline nanofilm; phase-field method; domain structure; strain tuning; in-plane strain; size effect

中图分类号:

TB383.2

张明冉, 马瑞, 张元祥. BaTiO₃多晶纳米薄膜畴结构的应变调控[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(9): 1448-1459.

ZHANG Mingran, MA Rui, ZHANG Yuanxiang. Strain Tuning of Domain Structure in BaTiO₃ Polycrystalline Nanofilms[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(9): 1448-1459.

图/表 9

图1 BaTiO3多晶纳米薄膜二维代表单元

Fig.1 2D representative unit of BaTiO3 polycrystalline nanofilm

表1 BaTiO3多晶纳米薄膜中22个晶粒及其对应的方向角

Table 1 Twenty-two grains and corresponding orientation angles in BaTiO3 polycrystalline nanofilm

No.	$φ$ /（°）	No.	$φ$ /（°）
1	0	12	45.00
2	4.09	13	49.09
3	8.18	14	53.18
4	12.27	15	57.27
5	16.36	16	61.36
6	20.45	17	64.45
7	24.54	18	69.54
8	28.63	19	73.63
9	32.72	20	77.72
10	36.81	21	81.18
11	40.90	22	85.90

表1 BaTiO3多晶纳米薄膜中22个晶粒及其对应的方向角

Table 1 Twenty-two grains and corresponding orientation angles in BaTiO3 polycrystalline nanofilm

No.	$φ$ /（°）	No.	$φ$ /（°）
1	0	12	45.00
2	4.09	13	49.09
3	8.18	14	53.18
4	12.27	15	57.27
5	16.36	16	61.36
6	20.45	17	64.45
7	24.54	18	69.54
8	28.63	19	73.63
9	32.72	20	77.72
10	36.81	21	81.18
11	40.90	22	85.90

图2 平均晶粒尺寸为60 nm的BaTiO3多晶纳米薄膜在不同拉压应变作用下的电滞回线（a）和蝶形曲线（b）

Fig.2 Hysteresis loops （a） and butterfly loops（b） of BaTiO3 polycrystalline nanofilm with an average grain size of 60 nm under different tensile and compressive strains

图3 平均晶粒尺寸为10 nm的BaTiO3多晶纳米薄膜在不同拉压应变作用下的电滞回线（a）和蝶形曲线（b）

Fig.3 Hysteresis loops （a） and butterfly loops （b） of BaTiO3 polycrystalline nanofilm with an average grain size of 10 nm under different tensile and compressive strains

图4 BaTiO3多晶纳米薄膜的剩余极化和矫顽场（a），以及介电常数和压电常数（κ0=P0/E0，d330=ε0/E0）（b）随面内应变的变化规律

Fig.4 Variation of remnant polarization and coercive field （a）， and dielectric constant and piezoelectric constant （κ0=P0/E0，d330=ε0/E0）（b） as a function of in-plane strain in BaTiO3 polycrystalline nanofilm

图5 不同研究中剩余极化（a）和矫顽场（b）随面内应变的变化规律

Fig.5 Variation of remnant polarization （a） and coercive field （b） as a function of in-plane strain in different studies

图6 晶粒尺寸为60 nm的BaTiO3多晶纳米薄膜极化分布。（a）剩余极化状态；（b）矫顽场状态

Fig.6 Polarization distribution of BaTiO3 polycrystalline nanofilm with grain size of 60 nm. （a） Remnant polarization state；（b） coercive field state

图7 晶粒尺寸为10 nm的BaTiO3多晶纳米薄膜极化分布。（a）剩余极化状态；（b）矫顽场状态

Fig.7 Polarization distribution of BaTiO3 polycrystalline nanofilm with grain size of 10 nm. （a） Remnant polarization state；（b） coercive field state

图8 面内应变为-1.00%时，不同晶粒尺寸下的BaTiO3多晶纳米薄膜在剩余极化状态微结构分布。（a）60 nm；（b）10 nm

Fig.8 Microstructure distribution of BaTiO3 polycrystalline nanofilm at remnant polarization state under in-plane strain of -1.00% with different grain sizes. （a） 60 nm；（b） 10 nm

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BaTiO₃多晶纳米薄膜畴结构的应变调控

Strain Tuning of Domain Structure in BaTiO₃ Polycrystalline Nanofilms

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