单晶铁电氧化物薄膜超弹性行为发现成果

           A-C BaTiO3薄膜转移前/后晶体结构示意图、RSM及光学照片；D BaTiO3/Pt/Si的面外PFM相位图；E 自支撑BaTiO3薄膜的STEM图像；F原位SEM弯曲测试；G 原子模拟计算加载卸载过程弯矩与应变的关系；H弯曲前/后铁电极化的演变图 铁电材料是一种具有自发极化，且能够实现机械能和电能转换的功能材料，在磁电互调、机械驱动、压力传感和数据存储等领域具有广泛应用。柔性电子技术正带来一场智能可穿戴技术革命，而铁电材料将在柔性电子领域将扮演重要角色。由于存在缺陷、晶界以及氧化物离子键/共价键本身延展性相对较小等问题，块体铁电氧化物表现出一定脆性和刚性。如何克服这些困难，在铁电薄膜中实现超弹性和柔性，并将其应用在柔性电子器件中是目前亟待解决的问题。 聚焦此关键科学问题，西安交通大学电信学部教授刘明课题组和材料学院教授丁向东课题组合作，对铁电单晶薄膜材料柔性和弹性的力学行为进行了深入研究，并取得了重大突破。《科学》杂志于北京时间10月25日在线发表了其最新合作成果论文“具有连续电偶极旋转的超弹性铁电单晶薄膜”。 他们采用水溶性的Sr3Al2O6作为牺牲层，制备并剥离出大面积的自支撑BaTiO3 (BTO)单晶铁电薄膜，实验通过纳米机械臂对其进行原位弯曲实验，发现BTO薄膜能够实现180°折叠，其承受的最大弯曲应变高达~10%。同时实验还发现在对其进行大角度压缩后，随着外力撤去，BTO薄膜的形状能够回弹，展现出超弹性行为。进而采用原子模拟计算发现，BTO薄膜的超弹性可能起源于铁电纳米畴在大应变梯度下a和c铁电畴的可逆翻转。同时在a和c铁电畴之间产生了极化的连续翻转，有效降低了能量势垒，避免了因为畴翻转而可能导致的断裂。另外在弯曲状态下，大应变梯度也将诱导出显著的绕曲电效应，实现基于力电耦合的功能器件一体化，从而进一步加强基于柔性单晶铁电薄膜相关器件的功能性。 基于以上研究结果，可以预期其他铁电体中也应该存在类似力学行为，为其他铁电单晶薄膜中实现超弹性提供了实验依据。此外，具有超弹性的柔性铁电薄膜也是良好的电场调控介质，将其与柔性铁电薄膜复合，可避免传统多铁薄膜异质结中存在的衬底束缚作用，并显著提高磁电耦合效应，为未来开发新型小电场可调的柔性磁电器件奠定基础。 相关论文链接：https://doi.org/10.1126/science.aay7221

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2019/10/26