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西安交通大学连发6篇Science,在材料学,生命科学等领域取得重大进展
2019-10-25 10:32:00
西安交通大学
作者:

  2019年10月25日,西安交通大学刘明,周子尧及丁向东共同通讯在Science在线发表题为“Super-elastic ferroelectric single-crystal membrane with continuous electric dipole rotation”的研究论文,该研究合成了无损伤提离工艺的独立式单晶铁电钛酸钡(BaTiO3)膜。BaTiO3膜在原位弯曲测试过程中可能会发生〜180°折叠,这表明它具有超弹性和超柔韧性。 柔性的铁电体膜可以作为一个可行的平台,用于探索应变触发的相关现象,例如在未来的研究中功能增强,铁电体域工程和相变。超柔性外延铁电膜可以实现许多应用,例如柔性传感器,存储器和电子皮肤。

  弹性反映了材料表现出机械变形和恢复能力。材料(例如合金和半导体)的弹性和柔韧性取决于材料中的基本成分(原子和分子等)及其相互作用(化学键)。在金属中,弹性源自电子成分之间的自由转移,而在机械变形过程中基本上不改变费米能级。一些被称为形状记忆的合金甚至可以通过马氏体相变实现超过极限的应变,从而达到形状恢复性,产生超弹性。相比之下,氧化物和半导体中的离子键或共价键具有更高的相互作用强度,但缺乏足够的滑移系统以使形变下的位错运动,从而导致脆性断裂。然而,纳米结构氧化物和半导体中的相变(尺寸降低)在共存相中提供了原子位移容限,并触发了超过大块材料弹性极限并具有恢复能力的附加应变。

△独立式BTO膜的合成与表征

  铁电体(FEs)作为一类功能性氧化物,由于存在可切换的自发极化及其与机械变形的耦合,因此得到了广泛的应用。先进的柔性铁电体电子器件需要柔性铁电体薄膜,这将满足不断增长的应用需求。近年来,针对氧化物薄膜开发的新颖剥离和转移技术为制造高质量的外延膜迈出了一步。

  然而,在研究铁电体薄膜柔韧性,起源和极限方面,几乎没有做任何进展。尽管铁电体中的离子键或共价键通常会限制弹性,但是铁电体域的演化可以提供一种替代途径来完成氧化物的超弹性而不是相变。例如,钙钛矿型BaTiO3(BTO)薄膜(四方相)是一种经典的铁电体和压电材料,通常同时包含a和c域。这些a和c域之间的过渡可能会在弯曲过程中实现形状公差。

  该研究合成了无损伤提离工艺的独立式单晶铁电钛酸钡(BaTiO3)膜。BaTiO3膜在原位弯曲测试过程中可能会发生〜180°折叠,这表明它具有超弹性和超柔韧性。该研究发现超弹性的起源来自铁电纳米域的动态演化。高应力显著地调节了能量分布,并使偶极子在a和c纳米域之间连续旋转。形成了一个连续的过渡区,以适应变化的应变并避免通常导致断裂的高失配应力。

△在300 K弯曲时BTO膜的形状恢复

  通过域工程在其他铁电系统中该现象应该是可能的。另外,柔性的铁电体膜还可以作为一个可行的平台,用于探索应变触发的相关现象,例如在未来的研究中功能增强,铁电体域工程和相变。超柔性外延铁电膜可以实现许多应用,例如柔性传感器,存储器和电子皮肤。

  原文链接:

  https://science.sciencemag.org/content/366/6464/475

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