西安交大在柔性鐵電領域取得新進展

2020-11-26 騰訊網

微納米尺度褶皺具有浸潤性、光學透明性、摩擦和黏附等獨特的表面性能，使其在可逆潤溼、摩擦、黏附、光學等與表界面相關的智能器件領域具有廣泛的應用前景。褶皺的形成主要利用硬質膜/彈性基體中薄膜與基體存在的熱膨脹差異，當膜/基複合體系受到外界影響（如力、溫度、溶劑等），可在表面形成壓應力，當應力達到臨界值後材料表面產生力學失穩而形成褶皺。基於褶皺的形成機理，薄膜層應具有較好的力學性能，因此目前褶皺薄膜層主要以高分子和金屬材料為主。很少有功能氧化物薄膜被應用於褶皺結構中，這極大限制了微納米尺度褶皺的應用範圍。

近日，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院劉明教授課題組、材料學院丁向東教授課題組及閩泰教授課題組合作，利用自支撐BaTiO3單晶薄膜的「既柔又彈」的力學性質與彈性體PDMS相結合，成功構建了BaTiO3/PDMS褶皺結構。在PDMS彈性體中，通過預加不同應力狀態，可形成高度有序的條紋狀、之字形和馬賽克形等多種圖案。同時，藉助褶皺結構在BaTiO3單晶薄膜層中引入的周期性應力，發現了在平行褶皺結構中BaTiO3單晶薄膜層的波峰和波谷處的壓電響應有規律的增強現象。其中，BaTiO3單晶薄膜層的波峰處面內方向壓電響應強，在波谷處面外方向壓電響應強。通過原子模擬計算和褶皺薄膜的微觀極化表徵，發現在BaTiO3單晶薄膜層在彎曲形成褶皺時，在波峰表面張應力區域形成面內極化，波谷表面形成面外極化，使BaTiO3單晶薄膜褶皺產生了周期性的壓電響應變化。

BaTiO3/PDMS褶皺結構的表面形貌及壓電響應規律

此研究工作實現了鐵電/壓電褶皺薄膜的可控制備，揭示了褶皺特性對電極化和壓電性能的影響，為開發基於鐵電/壓電褶皺薄膜的柔性電子器件提供了重要的理論和實驗指導。

該研究成果日前以「Periodic Wrinkle-Patterned Single-Crystalline Ferroelectric Oxide Membranes with Enhanced Piezoelectricity」為題在國際著名學術期刊《先進材料》(Advanced Materials, IF=27.398)上發表，西安交通大學為該論文的第一和唯一通訊作者單位。電信學部電子科學與工程學院董國華助理教授、材料學院李蘇植教授、李桃教授和武海軍教授為共同第一作者。劉明教授、周子堯教授、丁向東教授及閩泰教授為共同通訊作者。該研究成果是劉明教授課題組與丁向東教授課題組合作在Science發文後，在自支撐鐵性薄膜領域發表的又一重要合作成果。

該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、陝西省重點研發計劃、西安交大基本科研業務費及中國博士後科學基金等項目的資助。

來源：西安交大

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004477

劉明教授主頁：

http://gr.xjtu.edu.cn/web/mingliu

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