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    我国学者在铁电单晶薄膜的超弹性行为研究领域取得新进展

    日期 2019-11-04   来源:工程与材料科学部   作者:郑雁军 邓意达  【 】   【打印】   【关闭

    图 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

      在国家自然科学基金项目(批准号:51931004,51621063,51602244,51802248,11534015)等的资助下,西安交通大学刘明教授和丁向东教授团队在铁电单晶薄膜材料柔性和弹性的力学行为研究中取得了重要进展。研究成果以“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)为题,于10月25日在线发表在Science(《科学》)上。论文链接:https://science.sciencemag.org/content/366/6464/475。

      铁电材料是一种可自发极化,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的革命,而铁电材料将在柔性电子领域扮演重要角色。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,铁电氧化物具有一定的脆性和刚性。因此如何在铁电薄膜中实现超弹性和柔性并将其应用于柔性电子器件中是具有极大挑战性的难题。

      刘明教授和丁向东教授等采用水溶性的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。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薄膜的形状能够实现回弹,展现出超弹性行为。通过模拟计算发现,BTO薄膜的超弹性可能起源于铁电纳米畴在大应变梯度下ac铁电畴的可逆翻转。同时在ac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,可实现基于力电耦合的功能器件一体化。本研究结果为预测其他铁电单晶薄膜类似的超弹性力学行为提供了实验依据。此外,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了基础。




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