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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為

來源: 日期:2019-10-30 09:57 點擊: 分享到:
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北京時間2019年10月25日,美國《科學》雜志在線發表了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的最新合作論文“Super-elastic ferroelectric single-crystal membrane with continuous electric dipole rotations(具有連續電偶極旋轉的超彈性鐵電單晶薄膜)”。

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并將其應用在柔性電子器件中是目前亟待解決的問題。

A-C BaTiO3薄膜轉移前/晶體結構示意圖、RSM及光學照片;圖D BaTiO3/Pt/Si的面外PFM相位圖;E 自支撐BaTiO3薄膜的STEM圖像;圖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系;圖H 彎曲前/后鐵電極化的演變圖。

聚焦此關鍵科學問題,西安交大劉明教授團隊和丁向東教授團隊合作,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,并取得了重大突破。研究采用水溶性的Sr3Al2O6作為犧牲層,制備并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°折疊,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后,隨著外力撤去,BTO薄膜的形狀能夠回彈,展現出超彈性行為。采用原子模擬計算發現,BTO薄膜的超彈性可能起源于鐵電納米疇在大應變梯度下ac鐵電疇的可逆翻轉。同時在ac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,實現基于力電耦合的功能器件一體化,從而進一步加強基于柔性單晶鐵電薄膜相關器件的功能性。

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復合,可避免傳統多鐵薄膜異質結中存在的襯底束縛作用,并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。

該工作西安交通大學為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為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臺,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

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