科學(xué)家發(fā)現(xiàn)鐵電薄膜如何既“柔”又“彈”
2020年06月01日 10:55 11406次瀏覽 來源： 中科院 分類： 新材料前沿 作者： 張行勇
柔性電子技術(shù)正帶來一場智能可穿戴技術(shù)革命，而鐵電材料將在柔性電子領(lǐng)域扮演重要角色。鐵電材料是一種具有自發(fā)極化，且能夠?qū)崿F(xiàn)機械能和電能轉(zhuǎn)換的功能材料。但塊體鐵電氧化物表現(xiàn)出一定脆性和剛性，如何在鐵電薄膜中實現(xiàn)超彈性和柔性，并將其應(yīng)用在柔性電子器件中是目前亟待解決的問題。
聚焦此關(guān)鍵科學(xué)問題，西安交通大學(xué)教授劉明、丁向東課題組合作，對鐵電單晶薄膜材料柔性和彈性的力學(xué)行為進行了深入研究，并取得了重大突破。
他們采用水溶性的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，通過納米機械臂對其進行原位彎曲實驗，發(fā)現(xiàn)BTO薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)180°折疊，其承受的最大彎曲應(yīng)變高達~10%。實驗還發(fā)現(xiàn)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(xiàn)出超彈性行為。進而采用原子模擬計算發(fā)現(xiàn)，BTO薄膜的超彈性可能起源于鐵電納米疇在大應(yīng)變梯度下a和c鐵電疇的可逆翻轉(zhuǎn)。同時在a和c鐵電疇之間產(chǎn)生了極化的連續(xù)翻轉(zhuǎn)，有效降低能量勢壘，避免了因為疇翻轉(zhuǎn)而可能導(dǎo)致的斷裂。另外在彎曲狀態(tài)下，大應(yīng)變梯度也將誘導(dǎo)出顯著的繞曲電效應(yīng)，實現(xiàn)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(guān)器件的功能性。
基于以上研究結(jié)果，可以預(yù)期其他鐵電體中也存在類似力學(xué)行為，為其他鐵電單晶薄膜中實現(xiàn)超彈性提供了實驗依據(jù)。此外，具有超彈性的柔性鐵電薄膜也是良好的電場調(diào)控介質(zhì)，將其與柔性鐵電薄膜復(fù)合，可避免傳統(tǒng)多鐵薄膜異質(zhì)結(jié)中存在的襯底束縛作用，并顯著提高磁電耦合效應(yīng)，為未來開發(fā)新型小電場可調(diào)的柔性磁電器件奠定基礎(chǔ)。
責(zé)任編輯：陳巖
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