西安交通大學連發6篇Science,在材料學,生命科學等領域取得重大進展

2020-12-15 中國教育在線

　　2019年10月25日，西安交通大學劉明，周子堯及丁向東共同通訊在Science在線發表題為「Super-elastic ferroelectric single-crystal membrane with continuous electric dipole rotation」的研究論文，該研究合成了無損傷提離工藝的獨立式單晶鐵電鈦酸鋇(BaTiO3)膜。BaTiO3膜在原位彎曲測試過程中可能會發生〜180°摺疊，這表明它具有超彈性和超柔韌性。 柔性的鐵電體膜可以作為一個可行的平臺，用於探索應變觸發的相關現象，例如在未來的研究中功能增強，鐵電體域工程和相變。超柔性外延鐵電膜可以實現許多應用，例如柔性傳感器，存儲器和電子皮膚。

　　彈性反映了材料表現出機械變形和恢復能力。材料(例如合金和半導體)的彈性和柔韌性取決於材料中的基本成分(原子和分子等)及其相互作用(化學鍵)。在金屬中，彈性源自電子成分之間的自由轉移，而在機械變形過程中基本上不改變費米能級。一些被稱為形狀記憶的合金甚至可以通過馬氏體相變實現超過極限的應變，從而達到形狀恢復性，產生超彈性。相比之下，氧化物和半導體中的離子鍵或共價鍵具有更高的相互作用強度，但缺乏足夠的滑移系統以使形變下的位錯運動，從而導致脆性斷裂。然而，納米結構氧化物和半導體中的相變(尺寸降低)在共存相中提供了原子位移容限，並觸發了超過大塊材料彈性極限並具有恢復能力的附加應變。

△獨立式BTO膜的合成與表徵

　　鐵電體(FEs)作為一類功能性氧化物，由於存在可切換的自發極化及其與機械變形的耦合，因此得到了廣泛的應用。先進的柔性鐵電體電子器件需要柔性鐵電體薄膜，這將滿足不斷增長的應用需求。近年來，針對氧化物薄膜開發的新穎剝離和轉移技術為製造高質量的外延膜邁出了一步。

　　然而，在研究鐵電體薄膜柔韌性，起源和極限方面，幾乎沒有做任何進展。儘管鐵電體中的離子鍵或共價鍵通常會限制彈性，但是鐵電體域的演化可以提供一種替代途徑來完成氧化物的超彈性而不是相變。例如，鈣鈦礦型BaTiO3(BTO)薄膜(四方相)是一種經典的鐵電體和壓電材料，通常同時包含a和c域。這些a和c域之間的過渡可能會在彎曲過程中實現形狀公差。

　　該研究合成了無損傷提離工藝的獨立式單晶鐵電鈦酸鋇(BaTiO3)膜。BaTiO3膜在原位彎曲測試過程中可能會發生〜180°摺疊，這表明它具有超彈性和超柔韌性。該研究發現超彈性的起源來自鐵電納米域的動態演化。高應力顯著地調節了能量分布，並使偶極子在a和c納米域之間連續旋轉。形成了一個連續的過渡區，以適應變化的應變並避免通常導致斷裂的高失配應力。

△在300 K彎曲時BTO膜的形狀恢復

　　通過域工程在其他鐵電系統中該現象應該是可能的。另外，柔性的鐵電體膜還可以作為一個可行的平臺，用於探索應變觸發的相關現象，例如在未來的研究中功能增強，鐵電體域工程和相變。超柔性外延鐵電膜可以實現許多應用，例如柔性傳感器，存儲器和電子皮膚。

　　原文連結：

　　https://science.sciencemag.org/content/366/6464/475

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