Моделирование и анализ данных
2025. Том 15. № 3. С. 131–147
doi:10.17759/mda.2025150308
ISSN: 2219-3758 / 2311-9454 (online)
Математическая модель переключения поляризации, основанная на обобщенном уравнении Ландау – Халатникова – Тани: численная реализация
Резюме
В статье представлен обзор существующих математических моделей, описывающих динамику изменения поляризации в сегнетоэлектриках на основе термодинамической теории Ландау. Особое внимание уделено обобщённой модели Ландау – Халатникова – Тани, учитывающей инерционные эффекты и позволяющей описывать гистерезисные явления. Модель формализуется в виде начально-краевой задачи для уравнения в частных производных гиперболического типа. Для численного решения задачи построена неявная конечно-разностная схема. Приведены результаты вычислительных экспериментов, демонстрирующих переключение поляризации и построение диэлектрического гистерезиса в сегнетоэлектрических материалах с фазовым переходом первого рода.
Общая информация
Ключевые слова: уравнение Ландау – Халатникова – Тани, неявная конечно-разностная схема, сегнетоэлектрик, поляризационный гистерезис, вычислительный эксперимент
Рубрика издания: Численные методы
Тип материала: научная статья
DOI: https://doi.org/10.17759/mda.2025150308
Поступила в редакцию 03.08.2025
Поступила после рецензирования 13.08.2025
Принята к публикации
Опубликована
Для цитаты: Мороз, Л.И., Дорошков, О.С. (2025). Математическая модель переключения поляризации, основанная на обобщенном уравнении Ландау – Халатникова – Тани: численная реализация. Моделирование и анализ данных, 15(3), 131–147. https://doi.org/10.17759/mda.2025150308
© Мороз Л.И., Дорошков О.С., 2025
Лицензия: CC BY-NC 4.0
Литература
- Рабе, К.М. (Ред.). (2015). Физика сегнетоэлектриков: современный взгляд. Москва: Лаборатория знаний, 443 с.
Rabe, K.M. (Ed.). (2015). Physics of Ferroelectrics: A Modern Perspective. Moscow: Laboratory of Knowledge, 443 p. (In Russ.) - Мороз, Л.И., Масловская, А.Г. (2018). Метод прогноза и коррекции в задаче численного моделирования фрактальной динамики доменных границ сегнетоэлектриков. Вестник Амурского государственного университета. Серия: Естественные и экономические науки, (83), 3–8.
Moroz, L.I., Maslovskaya, A.G. (2018). Method of prediction and correction in the problem of numerical modeling of fractal dynamics of ferroelectric domain boundaries. Vestnik Amurskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Estestvennye i ekonomicheskie nauki , (83), 3–8. (In Russ.) - Ducharne, B., Newell, B., Sebald, G. (2020). Unique fractional derivative operator to simulate all dynamic piezoceramic dielectric manifestations: from aging to frequency-dependent hysteresis. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 67(1), 197–206. https://doi.org/10.1109/TUFFC.2019.2938891
- Li, Z., Zhang, Y., Wen, H., Dong, C. (2024). Strain and ferroelectric polarization influence on perpendicular magnetic anisotropy of CoFe₃N/BaTiO₃ Results in Physics 57, 107388. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2024.107388
- Scott, J.F. (2000). Ferroelectric Memories. Heidelberg: Springer Science & Business Media, 248
- Wang, B., Xia, R., Fan, H., Woo, C.H. (2003). Dynamic process of domain switching in ferroelectric films. Appl. Phys., 94, 3384. https://doi.org/10.1063/1.1599958
- Mazur, O.Y., Stefanovich, L.I., Yurchenko, V.M. (2016). Effect of a weak external electric field on the kinetics of the ordering of ferroelectrics upon first-order phase transitions. Solid State 58, 1596–1604. https://doi.org/10.1134/S1063783416080205
- Zhang, R., Lin, C., Dong, H. et al. (2025). Compositionally-graded ferroelectric thin films by solution epitaxy produce excellent dielectric stability. Nature Communications, 16(98), 1–10. https://doi.org/10.1038/s41467-024-55411-7
- Landau, L.D., Ginzburg, V.L. (1965). On the theory of superconductivity. Collected Papers of L.D. Landau, 546–568. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-010586-4.50078-X
- Akshayveer, A., Buroni, F.C., Melnik, R., Rodriguez Tembleque, L., Saez, A. (2025). Environment friendly technologies with lead free piezoelectric materials: A review of recent developments, applications, and modelling approaches. arXiv preprint, arXiv:2502.13929. https://doi.org/10.48550/arXiv.2502.20250
- Bain, A.K., Chand, B. (2017). Ferroelectrics: Principles and Applications. Chennai: SPi Global Private Limited, 317
- Alessandri, C., Pandey, P., Abusleme, A., Seabaugh, A. (2019). Monte Carlo Simulation of Switching Dynamics in Polycrystalline Ferroelectric Capacitors. Transactions on Electron Devices, 66(8). 3527–3534. https://doi.org/10.1109/TED.2019.2922268
- Cao, W. (2004). Phenomenological theories of ferroelectric phase transitions. British Ceramic Transactions, 103(2), 71–75. https://doi.org/10.1179/096797804225012774
- Uchino, K. (1997). Ferroelectric Devices. New York: Marcel Dekker. 312 p.
- Song, T.K., Kim, J.S., Kim, M.H., Lim, W., Kim, Y.S., Lee, J.C. (2003). Landau–Khalatnikov simulations for the effects of external stress on the ferroelectric properties of Pb(Zr,Ti)O₃ thin films. Thin Solid Films, 424(1), 84–87. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(02)00920-3
- Roy, M.K., Swayambhoo M. (2020). Stochastic Dynamics of 180◦ domains. Journal of Mathematical Control Science and Applications, 6(1), 93–105.
- Chen, L.Q. (2002). Phase-field models for microstructure evolution in ferroelectric materials. Annual Review of Materials Research, 32, 113–140. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2023.112510
- Tang, P., Iguchi, R., Uchida, K., Bauer, G.E.W. (2022). Excitations of the ferroelectric order. Physical Review B, 106, L081105. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.106.L081105
- He, R., Wang, H., Liu, F., Liu, S., Liu, H., Zhong, Z. (2023). Unconventional ferroelectric domain switching dynamics in CuInP₂S₆ from first principles. Physical Review B, 108, 024305. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.024305
- Maslovskaya A.G., Moroz L.I., Chebotarev A.Y., Kovtanyuk A.E. (2021). Theoretical and numerical analysis of the Landau–Khalatnikov model of ferroelectric hysteresis. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 93, 105524. https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2020.105524
- Roy, M.K., Paul, J., Dattagupta, S. (2010). Domain dynamics and fractal growth analysis in thin ferroelectric films. IEEE Xplore, 108, 014108(4). https://doi.org/10.1063/1.3456505
- Richman, M.S., Rulis P., Caruso A.N. (2017). Ferroelectric system dynamics simulated by a second-order Landau model. Journal of Applied Physics, 122, 094101. https://doi.org/10.1063/1.5000139
- Aliev, A.B., Isayeva, S.E. (2018). The Existence and Behavior of Global Solutions to a Mixed Problem with Acoustic Transmission Conditions for Nonlinear Hyperbolic Equations with Nonlinear Dissipation. Math., 98, 555–558. https://doi.org/10.1134/S1064562418070062
- Barbu, V., Lasiecka, I., Rammaha, M.A. (2005). Existence and uniqueness of solutions to wave equations with nonlinear degenerate damping and source terms. Control and Cybernetics , 34(3).
- Li, P.-W., Hu, S., Zhang, M. (2023). Numerical Solutions of the Nonlinear Dispersive Shallow Water Wave Equations Based on the Space–Time Coupled Generalized Finite Difference Scheme. Applied Sciences , 13(14), 8504. https://doi.org/10.3390/app13148504
- Sap, D. (2025). A hybrid isogeometric and finite element method: NURBS-enhanced finite element method for hexahedral meshes. arXiv preprint, arXiv:2506.13694. https://doi.org/10.48550/arXiv.2506.13694
- Abdelwahed, M., Chorfi, N. (2022). Numerical resolution of the wave equation using the spectral method. Boundary Value Problems, 2022, 15. https://doi.org/10.1186/s13661-022-01601-5
- Gao, Z., Xie, S. (2012). Fourth-order compact difference and alternating direction implicit schemes for telegraph equations. Computer Physics Communications, 183(3), 552–569. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2011.11.023
- Chew, J.V.L., Sulaiman, J. (2018). Implicit finite difference solution of one-dimensional porous medium equations using Half-Sweep Newton-Explicit Group iterative method. Journal of Engineering and Applied Sciences, 13(5), 1286–1290.
- Формалев, В.Ф., Ревизников, Д.Л. (2006). Численные методы. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 400 с.
Formalev, V.F., Reyznikov, D.L. (2006). Numerical Methods . Moscow: FIZMATLIT, 400 p. (In Russ.) - Hong, J., Fang, D. (2008). Size-dependent ferroelectric behaviors of BaTiO₃ Applied Physics Letters , 92, 012906. https://doi.org/10.1063/1.2830662
Информация об авторах
Вклад авторов
Мороз Л.И. – идеи исследования, аннотирование и написание рукописи, контроль за проведением исследования.
Дорошков О.С. – применение численных методов, проведение экспериментов, написание программы, сбор и анализ данных, визуализация полученных результатов.
Все авторы приняли участие в обсуждении результатов и согласовали окончательный текст рукописи.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Метрики
Просмотров web
За все время: 80
В прошлом месяце: 37
В текущем месяце: 4
Скачиваний PDF
За все время: 26
В прошлом месяце: 8
В текущем месяце: 0
Всего
За все время: 106
В прошлом месяце: 45
В текущем месяце: 4