西安交大 Science：发现单晶铁电氧化物薄膜超弹性行为

来源：化学加

导读

北京时间2019年10月25日，美国《科学》杂志在线发表了西安交通大学电信学部刘明教授课题组和材料学院丁向东教授课题组的最新合作论文“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）”。

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，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的应用。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将扮演重要角色。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，块体铁电氧化物表现出一定脆性和刚性。如何克服这些困难，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。

图A-C BaTiO3薄膜转移前/后晶体结构示意图、RSM及光学照片；图D BaTiO3/Pt/Si的面外PFM相位图；图E 自支撑BaTiO3薄膜的STEM图像；图F 原位SEM弯曲测试；图G 原子模拟计算加载卸载过程弯矩与应变的关系；图H 弯曲前/后铁电极化的演变图。

聚焦此关键科学问题，西安交大刘明教授团队和丁向东教授团队合作，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。研究采用水溶性的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。实验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。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，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。

基于本研究结果，可以预期其他铁电体中也应该存在类似力学行为，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。

该工作西安交通大学为第一和唯一通讯作者单位。电信学院董国华博士、材料学院李苏植教授和电信学院姚谋腾博士生为共同第一作者。刘明教授、周子尧教授及丁向东教授为共同通讯作者。论文作者还包括清华大学南策文教授、西安交通大学孙军教授和任巍教授、加拿大西蒙菲莎大学叶作光教授、中国科学院深圳先进技术研究院李江宇教授、中科大罗震林副教授、美国宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授及美国麻省理工大学李巨教授等。特别感谢微纳尺度材料行为研究中心张永强同学在电镜原位表征方面的技术支持，感谢分析测试共享中心长期提供的技术支持，感谢贾春林科学家工作室提供的微结构分析平台，感谢西安交大高算中心提供的计算资源支持，工作得到国家基金委和科技部的支持。

刘明教授团队主页： http://mliu.xjtu.edu.cn/

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/366/6464/475