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科學家發現鐵電薄膜既“柔”又“彈”的奧義

2019/10/29編輯:Ma Liang 人氣:1083

  【阿儀網 實驗室動態】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扮演重要角色。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。但塊體鐵電氧化物表現出一定脆性和剛性,如何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。

  聚焦此關鍵科學問題,西安交通大學教授劉明、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行為進行了深入研究,并取得了重大突破。該成果10月25日在線發表于《科學》。

  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,發現BTO薄膜能夠實現180°折疊,其承受的最大彎曲應變高達~10%。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。進而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a和c鐵電疇的可逆翻轉。同時在a和c鐵電疇之間產生了極化的連續翻轉,有效降低能量勢壘,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。

  基于以上研究結果,可以預期其他鐵電體中也存在類似力學行為,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。

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(來源: 中國科學院 )

標簽:鐵電薄膜,鐵電薄膜的形成,鐵電薄膜的原理

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