單晶鐵電氧化物薄膜超彈性行為發現成果—新聞—科學網

2020-12-23 科學網
西安交大在《科學》發表
單晶鐵電氧化物薄膜超彈性行為發現成果

   A-C BaTiO3薄膜轉移前/後晶體結構示意圖、RSM及光學照片；D BaTiO3/Pt/Si的面外PFM相位圖；E 自支撐BaTiO3薄膜的STEM圖像；F原位SEM彎曲測試；G 原子模擬計算加載卸載過程彎矩與應變的關係；H彎曲前/後鐵電極化的演變圖

鐵電材料是一種具有自發極化，且能夠實現機械能和電能轉換的功能材料，在磁電互調、機械驅動、壓力傳感和數據存儲等領域具有廣泛應用。柔性電子技術正帶來一場智能可穿戴技術革命，而鐵電材料將在柔性電子領域將扮演重要角色。由於存在缺陷、晶界以及氧化物離子鍵/共價鍵本身延展性相對較小等問題，塊體鐵電氧化物表現出一定脆性和剛性。如何克服這些困難，在鐵電薄膜中實現超彈性和柔性，並將其應用在柔性電子器件中是目前亟待解決的問題。

聚焦此關鍵科學問題，西安交通大學電信學部教授劉明課題組和材料學院教授丁向東課題組合作，對鐵電單晶薄膜材料柔性和彈性的力學行為進行了深入研究，並取得了重大突破。《科學》雜誌於北京時間10月25日在線發表了其最新合作成果論文「具有連續電偶極旋轉的超彈性鐵電單晶薄膜」。

他們採用水溶性的Sr3Al2O6作為犧牲層，製備並剝離出大面積的自支撐BaTiO3 (BTO)單晶鐵電薄膜，實驗通過納米機械臂對其進行原位彎曲實驗，發現BTO薄膜能夠實現180°摺疊，其承受的最大彎曲應變高達~10%。同時實驗還發現在對其進行大角度壓縮後，隨著外力撤去，BTO薄膜的形狀能夠回彈，展現出超彈性行為。進而採用原子模擬計算發現，BTO薄膜的超彈性可能起源於鐵電納米疇在大應變梯度下a和c鐵電疇的可逆翻轉。同時在a和c鐵電疇之間產生了極化的連續翻轉，有效降低了能量勢壘，避免了因為疇翻轉而可能導致的斷裂。另外在彎曲狀態下，大應變梯度也將誘導出顯著的繞曲電效應，實現基於力電耦合的功能器件一體化，從而進一步加強基於柔性單晶鐵電薄膜相關器件的功能性。

基於以上研究結果，可以預期其他鐵電體中也應該存在類似力學行為，為其他鐵電單晶薄膜中實現超彈性提供了實驗依據。此外，具有超彈性的柔性鐵電薄膜也是良好的電場調控介質，將其與柔性鐵電薄膜複合，可避免傳統多鐵薄膜異質結中存在的襯底束縛作用，並顯著提高磁電耦合效應，為未來開發新型小電場可調的柔性磁電器件奠定基礎。

相關論文連結：https://doi.org/10.1126/science.aay7221

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