具有负电容的铁电-介电结的频率依赖介电响应

我们计算了层状铁电-介电结在单频$\omega$时变谐波电压偏置下的频率依赖介电响应（电极化率）。通过层间电荷边界条件，工作点稳定在具有负电容的区域内。静态电极化率$\chi_0$为负，相对介电常数$\epsilon_r$小于1，清楚表明由于负电容，铁电层中的电场与极化方向相反。在有限频率下，该符号在电极化率的实部中保持，并呈现频率依赖性。此外，由于电场与极化之间的相位差，出现了频率依赖的虚部。线性 regime 中该频率依赖的类型即所谓弛豫（Debye）响应，即$\chi'(\omega)=\chi_0/(1+(\tau \omega)^2)$与$\chi''(\omega)=\chi_0\tau \omega/(1+(\tau \omega)^2)$，其中$\tau$为铁电材料的极化翻转时间特征量。特别地，我们采用材料参数的实验值建模了铁电BaTiO$_3$与介电Al$_2$O$_3$的结，并探讨了相对于线性响应理论结果的非线性作用。