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西安交大研究成果在《科學》刊發發現單晶鐵電氧化物薄膜超彈性行爲
發布時間  :  2019-10-25點擊量  :  

北京时间2019年10月25日,美国《科学》杂志在线发表了西安交通大学电信学部刘明教授课题组和材料学院丁向东教授课题组的最新合作论文“Super-elastic ferroelectric single-crystal membrane with continuous electric dipole rotations(具有连续电偶极旋转的超弹性铁电单晶薄膜)”。

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的應用。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。由于存在缺陷、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。

图A-C BaTiO3薄膜转移前/后晶体结构示意图、RSM及光学照片;图D BaTiO3/Pt/Si的面外PFM相位图;图E 自支撑BaTiO3薄膜的STEM图像;图F 原位SEM弯曲测试;图G 原子模拟计算加载卸载过程弯矩与应变的关系;图H 弯曲前/后铁电极化的演变图。

聚焦此关键科学问题,西安交大刘明教授团队和丁向东教授团队合作,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。研究采用水溶性的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。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。

基于本研究結果,可以預期其他鐵電體中也應該存在類似力學行爲,爲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,爲未來開發新型小電場可調的柔性磁電器件奠定基礎。

該工作西安交通大學爲第一和唯一通訊作者單位。電信學部董國華博士、材料學院李蘇植教授和電信學部姚謀騰博士生爲共同第一作者。劉明教授、周子堯教授及丁向東教授爲共同通訊作者。論文作者還包括清華大學南策文教授、西安交通大學孫軍教授和任巍教授、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大學李巨教授等。特別感謝微納尺度材料行爲研究中心張永強同學在電鏡原位表征方面的技術支持,感謝分析測試共享中心長期提供的技術支持,感謝賈春林科學家工作室提供的微結構分析平台,感謝西安交大高算中心提供的計算資源支持,工作得到國家基金委和科技部的支持。


劉明教授團隊主頁: http://mliu.xjtu.edu.cn/

論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/366/6464/475



文字:电信学部 电子陶瓷与器件教育部重点实验室