Analysis of the computational and experimental studies of the polarization switching in the PVDF and P(VDF-TrFE) ferroelectric films at the nanoscale

В этой статье, молекулярные модели используются для изучения и анализа переключения поляризации в поливинилден-фторидных (PVDF) и поли(винилиден-фторид-трифторэтилен)-овых (P (VDF-ТрФЭ)) Ленгмюра–Блоджетт (ЛБ) нанопленках, в сравнении с экспериментальными данными на наноуровне. Квантово-механические расчеты и моделирование, а также молекулярно-динамическое (МД) моделирование на основе полуэмпирических методов квантовой химии (например, PM3), показывают, что энергии изучаемого PVDF и P (VDF-ТрФЭ) молекулярных структур, и их переключение поляризации происходит по собственному однородному механизму переключения в рамках феноменологической теории Ландау–Гинзбурга–Девоншира (ЛГД) в линейном приближении при низких значениях электрического поля. Величина результирующего критического коэрцитивного поля оказывается порядка $E_C\sim 0.5\dots2.5$ В/м, что согласуется с экспериментальными данными. Установлено, что механизм однородного переключения поляризации в PVDF и P (VDF-ТрФЭ) полимерных цепочках обусловлены квантовыми свойствами молекулярных орбиталей электронной подсистемы. Это ясно видно как в поляризационных петлях гистерезиса, так и при изменениях полной энергии. В случае низких значений приложенного электрического поля, времена переворота цепочек, полученные методом молекулярной динамики в расчетах полу-эмпирическим квантово-химическим методом РМ3 в ограниченном приближении Хартри–Фока, при приближении к этой критической точке, резко возрастают, стремясь к бесконечности, что соответствует теории ЛГД. В другом случае, при высоких значениях приложенного электрического поля переключения поляризации времена переворота цепочек соответствуют доменному механизму в рамках микроскопической Колмогорова–Аврами–Ишибаши (КАИ) теории, описывающих объемные сегнетоэлектрические кристаллы и толстые пленки. Проведенный анализ численных и экспериментальных данных позволяет оценить критические размеры области возможного перехода между внутренним однородным и внешним доменным механизмами переключения поляризации примерно на уровне порядка $10$ нм.