[發明專利]基于LGD理論的電場調控電介質的介電常數物理模型

在審

• 申請號: 202011292563.4
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112487616A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 杜小平;趙繼廣;張建偉;宋一鑠;呂瀟磊;王陽;陳攀;郜魏柯;楊步一
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍戰略支援部隊航天工程大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G16C60/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 仇蕾安

本發明涉及一種基于LGD理論的電場調控電介質的介電常數的物理模型。在該模型中，電介質的介電常數分別由固有極化和重定向極化兩部分組成，從LGD理論出發，將自由能展開為固有極化項和重定向極化項，從固有極化項出發，將自由能對固有極化求二階導數，得出介電常數的固有部分與電場之間的數學模型，從重定向極化項出發，考慮受局域隨機場的影響，基于雙勢阱模型，得出介電常數的重定向極化部分與電場之間的數學模型，將固有極化項貢獻的介電常數部分和重定向極化項貢獻的介電常數部分加和得到晶體總的介電常數與電場的物理模型。

技術領域

本發明涉及一種基于LGD理論的電場調控電介質的介電常數物理模型，適用于電場調控電介質的介電常數新技術的設計研究。

技術背景

電介質的用途非常廣泛，其具有的壓電效應、電致伸縮效應、電光效應、熱釋電效應等功能特性，使得其被廣泛制作為換能器、聲吶、光開光、電光調制器、電光相移器、熱電傳感器、儲能器等設備，已經大量應用于當代社會工業與日常生活中。其中，電介質的介電常數受電場的調控在應用中起著關鍵作用，隨著對電介質施加的外加電場逐漸增大，不同體系下既能引起介電常數的增大，又能引起介電常數的不變，甚至引起介電常數的降低，然而電場對介電常數的調控機理并不完全明確，目前缺乏能夠解釋這三種實驗現象的普適物理模型。

隨著電介質在實際工業和生活中的廣泛應用，電場對電介質介電常數的調控現象引起學者的廣泛關注。2004年美國阿克倫大學的Chen等人基于Landau-Ginzhurg-Devonshire(LGD)理論,在電介質固有極化的基礎上，將極化單元的重定向引入電場對介電常數的調控，成功解釋了電介質KTaO₃和Bi摻雜的SrTiO₃介電常數隨電場的增大而降低的實驗現象，但此模型僅適用于二階相變體系，而且僅能解釋電介質的介電常數隨電場的增大而降低的現象，不能解釋電介質的介電常數隨電場的增大而不變或增大的實驗現象，而且不能用于一階相變體系。因此研究電場對電介質的介電常數的調控機理不僅能加深理解微觀結構對介電常數的貢獻機制和導致電場對介電常數不同調控效果的本質，而且對指導電介質材料的設計以實現電場對介電常數不同的調控效果具有積極意義。

發明內容

針對電場精準調控電介質介電常數機理的問題，提出一種基于LGD理論的電場調控電介質的介電常數物理模型，為理解電場調控介電常數的機理和設計材料提供了一種全新的途徑。

本發明的技術解決方案是：

一種基于LGD理論的電場調控電介質的介電常數物理模型，該物理模型的電介質介電常數由固有極化和重定向極化兩部分組成，貢獻了電介質的介電常數，從LGD理論出發，將自由能展開為固有極化項和重定向極化項：

其中α_i＝C(T-T₀)＝1/ε(0)＝1/[ε₀ε_r(0)]是溫度相關的系數，C是常數，T₀是居里-維斯溫度，ε(0)是零場下的介電常數，ε₀是真空介電常數，ε_r(0)是零場下的相對介電常數，P是極化，β和γ是與溫度無關的系數。

G(P)對固有極化項求一階導數，得到

G(P)對固有極化項求二階導數，得到

在電介質的極化很小的情況下，極化P_i可表示為

P_i＝ε_r(E)ε₀E (18)

則方程(17)可表示為

進一步化簡為