Компьютерное моделирование и молекулярная динамика переключения поляризации в сегнетоэлектрических пленках ПВДФ и П(ВДФ-ТрФЭ) на наноуровне

В данной работе на основе молекулярных моделей были исследованы и проанализированы структура и поляризация поливинилиденфторида (ПВДФ) и поли(винилиденфторид-трифторэтилена) (П(ВДФ-ТрФЭ)) нанопленок Ленгмюра–Блоджетт (ЛБ) в зависимости от структуры и состава их мономерных цепочек полимера и сополимера. Квантово-механические расчеты и моделирование, а также проведенные расчеты методом молекулярной динамики (МД), основанные на полуэмпирических квантово-химических методах (таких как PM3), показали, что энергия изученных ПВДФ и П(ВДФ-ТрФЭ) молекулярных структур, поляризация и ее переключение соответствуют однородному механизму переключения в рамках феноменологической теории Ландау–Гинзбурга–Девоншира (ЛГД) в линейном приближении малых значений электрического поля. Величина полученного критического коэрцитивного поля находится в пределах $E_C\sim0.5\dots2.0$ GV/m, что согласуется с экспериментальными данными. Установлено также, что данный однородный механизм переключения поляризации полимерных цепочек ПВДФ и П(ВДФ-ТрФЭ) инициируется квантовыми свойствами молекулярных орбиталей электронной подсистемы: приложенное электрическое поле вызывает постепенный сдвиг «облаков» электронной плотности (электронная поляризуемость), что вызывает также постепенное смещение и атомных остовов, в соответствии с принципом минимума полной энергии системы, и это приводит в конечном итоге при достижении критической точки (бифуркации) — к перевороту всей цепочки и резкому падению полной энергии системы в ее энергетически более выгодное состояние. Это все хорошо видно на петлях гистерезиса как поляризации, так и полной энергии. При этом времена переворота цепочки, получаемые методом молекулярной динамики в полуэмпирическом квантово-химическом PM3 подходе в ограниченном приближении Хартри–Фока, при приближении к этой критической точке резко возрастают, стремясь в пределе к бесконечности, что и соответствует теории ЛГД.