科学家发现铁电薄膜如何既“柔”又“弹”

2020年06月01日 10:55 9230次浏览 来源:   分类: 新材料前沿   作者:

导读: 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扮演重要角色。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。但块体铁电氧化物表现出一定脆性和刚性,如何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。

    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扮演重要角色。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。但块体铁电氧化物表现出一定脆性和刚性,如何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,西安交通大学教授刘明、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。

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,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%。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。    

责任编辑:陈岩

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