今日Science:西安交大發現鐵電氧化物薄膜超彈性行為

海歸學者發起的公益學術平臺

分享信息，整合資源

交流學術，偶爾風月

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。這種集電極化與機電耦合作用於一體的材料，在磁電互調、數據存儲、壓力傳感和超聲波傳感器等領域具有廣泛的應用。而今柔性電子技術正帶來一場智能可穿戴技術革命，鐵電材料將在柔性電子領域將扮演重要角色。然而由於缺陷、晶界的存在以及氧化物離子鍵/共價鍵本身延展性相對較小，塊體鐵電氧化物在力學行為上表現出脆性和剛性，而薄膜鐵電氧化物能否克服這些缺陷，並展現出超彈性和超柔性使其可應用於柔性器件中，將是目前亟待解決的問題。

成果簡介

北京時間2019年10月25日，西安交通大學劉明教授課題組和丁向東教授課題組聯合國內外合作者，在Science發表題為"Super-elastic ferroelectric single-crystal membrane with continuous electric dipole rotation"的研究論文。在研究中通過納米機械臂對其進行原位彎曲實驗，發現BaTiO3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，BaTiO3薄膜的形狀能夠回彈，展現出超彈性行為。

原子模擬計算發現，BaTiO3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。這一研究結果為鐵電體中電極化與機械作用的研究打開了新的思路。一方面自支撐的BaTiO3單晶薄膜擺脫了鐵電氧化物塊材的脆性，擁有良好的超彈性行為和可彎曲摺疊性，有望在柔性電子器件和磁電耦合器件中獲得廣泛應用；另一方面BaTiO3薄膜的彎曲摺疊能夠產生巨大的應變梯度將極可能會呈現出顯著的撓曲電效應。

圖文解讀

圖1 (A-C)BaTiO3薄膜轉移前/後晶體結構示意圖、倒易空間掃描圖及光學照片；(D) 自支撐BaTiO3薄膜的掃描電鏡透射模式圖像；(E-F)轉移到Si襯底上的BaTiO3面外壓電力顯微鏡相位圖和測量結果；

實驗中採用Sr3Al2O6作為犧牲層剝離並轉移出大面積的BaTiO3薄膜。通過倒易空間掃描和掃描電鏡透射模式分析對薄膜轉移前後的晶體結構做表徵，證實薄膜具有良好的外延性，同時壓電力顯微鏡測量結果說明轉移下來的BaTiO3薄膜仍然保持良好的壓電特性。

圖2：BaTiO3卷橫截面的透射電子顯微鏡圖及四個特徵區的放大圖和彎曲的掃描電鏡透射晶格像。

同時，作者在研究中通過實驗設計，使BaTiO3納米薄膜自髮捲曲形成多層卷，製備了透射電子顯微鏡樣品，並獲得了不同曲率半徑下的多個區域圖像。通過對各個區域原子分辨掃描電鏡透射圖像進行極化分析，構建出不同應變大小下極化分布的特點。例如，在應變狀態為3.1%時，他們發現在BaTiO3納米薄膜的極化方向會隨著薄膜中應力狀態的不同而呈現多個取向。這些極化取向與四方相BaTiO3晶體的90°和180°鐵電疇完全不同，說明在較大的應變梯度下，不僅會發生BaTiO3晶體90°和180°鐵電疇的轉換，而且會出現過渡狀態的極化取向。該實驗結果進一步表明，BaTiO3薄膜之所以能夠承受較大的應變梯度而不發生斷裂破碎，很可能是來源於這些過渡態極化取向的存在。

圖3：(A-B)BaTiO3薄膜的原位彎曲掃描電子顯微鏡圖像; (C) 原子模擬計算加載卸載過程彎矩與應變的關係; (D) 彎曲前/後鐵電極化的演變圖。

作者們在掃描電子顯微鏡中的進行了原位彎曲實驗，直觀地對BaTiO3薄膜的力學特性進行了測試，實驗結果表明BaTiO3薄膜能夠實現180°摺疊，其承受的最大彎曲應變高達~10%。同時他們還發現在對BaTiO3薄膜進行大角度壓縮後，隨著外力撤去，其形狀能夠短時間回彈，表現超彈性力學行為。而原子模擬計算發現，BaTiO3薄膜的超彈性可能起源於在大應變梯度下a和c鐵電疇的可逆翻轉。同時在a和c鐵電疇之間也產生了極化的連續翻轉，從而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。

小結與展望

基於本研究結果，可以預測其他的鐵電體中也可能存在類似超彈性行為，為超柔性單晶鐵電薄膜在各類柔性電子器件中的應用打下堅實的實驗和理論基礎，如柔性傳感器、柔性存儲器、電子皮膚及植入式生物醫療電子等。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，可望避免傳統多鐵薄膜異質結中存在的襯底束縛作用，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。

該工作由西安交通大學電信學部劉明教授課題組和材料學院丁向東教授課題組合作完成，西安交通大學為第一和唯一通訊作者單位。電信學院董國華博士生、材料學院李蘇植教授和電信學院姚謀騰博士生為共同第一作者。劉明教授、周子堯教授及丁向東教授為共同通訊作者。論文作者還包括清華大學南策文教授、西安交通大學任巍教授與孫軍教授、加拿大西蒙菲莎大學葉作光教授、中國科學院深圳先進技術研究院李江宇教授、中科大羅震林副教授、美國賓夕法尼亞州立大學陳龍慶教授及美國麻省理工學院李巨教授等。交大分析測試共享中心對該工作提供長期技術支持，同時該工作也得到了國家基金委和科技部的支持。