張金星北京師范大學Nature Commun.：鐵電極化的水印刷

Materials_1219 5年前 (2018-09-27) 5018瀏覽

【引言】

鐵電體的表面的非揮發性/可逆電極化和高電荷密度，在促進能量方面發揮關鍵作用。然而，這種結構抑制了高效率的能量轉換，因此，原位控制鐵電液界面結構，具有非常高挑戰性。目前，常用外部物理方法（例如：電場、機械力、離子注入）來切換鐵電極化，不僅消耗外部化石能源，也不能原位設計所需的鐵電液體界面結構。因此，通過原位翻轉體極化，來控制鐵電/液體界面上的離子和極性結構是非常重要的。在鐵電體中，鐵酸鉍（BiFeO3：BFO）是高穩定性和生物相容性的多鐵性材料。由Bi 6s和O 2p原子軌道組成的高位價帶導致可見光內的帶隙（Eg≈2.6-2.8eV），能帶跨越水氧化還原水平，具有獨特的水分裂潛力。因此，與其他鐵電氧化物相比，水分子更可能在其極性表面上解離吸附和構建可控的離子/分子結構和跨界面的能量轉換。本文通過人工設計離子吸附和BFO-水的界面化學反應，調節水溶液中的H+/OH-濃度，產生了可逆的大面積極化翻轉。

【成果簡介】

近日，中國北京師范大學的張金星（通訊）作者等人，發現在水溶液中，鐵電BiFeO3表面的化學鍵導致可逆體極化轉換。本文采用壓電響應力顯微鏡、X射線光電子能譜、掃描透射電子顯微鏡、第一性原理計算和相場模擬，發現可逆極化轉換的原因是其表面極化選擇性化學鍵降低了界面化學能。通過H+/OH-濃度，可以有效地調節其靜電能。這種水誘導的鐵電翻轉，能夠利用綠色能源構建大規模的極化印刷，為傳感、高效催化和數據存儲開辟了新的機會。相關成果以“Water printing of ferroelectric polarization”為題發表在Nature Communication上。

【圖文導讀】

圖 1 水溶液誘導的鐵電極化反轉

（a）將膜暴露于Milli-Q水后，從向下/向上的翻轉的示意圖；

（c）將膜暴露于酸性后，從向上/向下的翻轉的示意圖；

（b）從向下/向上的極化翻轉的壓電響應力顯微鏡（PFM）圖像；

（d）從向上/向下的極化翻轉的壓電響應力顯微鏡（PFM）圖像。

圖 2?水溶液誘導的整個膜極化的逆轉圖

（a）水處理過程的照片（插圖：樣本大小為10×10 mm2）；

（b）將膜暴露于Milli-Q水后，整個膜的極化反轉到向上圖；

（c）將膜暴露于酸性溶液后，整個膜的極化反轉到向下圖；

（d）在Milli-Q水處理后，從向下/向上的極化轉換的PFM圖像；

（e）在酸性溶液處理后，從向上/向下的極化轉換的PFM圖像。

圖 3 水溶液處理后形成新的化學鍵

（a）在Milli-Q-水誘導的極化轉換，誘導極化轉換的準靜態壓電響應電滯回線圖；

（a）在酸性溶液誘導的極化轉換的典型準靜態壓電響應電滯回線圖；

（c）在Milli-Q水中，極化反轉后的X射線光電子能譜圖；

（d）在酸性溶液中，極化反轉后的X射線光電子能譜圖。

圖 4 化學鍵引起的鐵電極化切換

（a）BFO極化從吸收四個H向上/向下翻轉到向下/向上圖；

（b）BFO極化從吸收兩個OH向上/向下翻轉到向下/向上圖；

（c）BFO表面沿z軸的Fe和O原子位移具有四個H的吸附的密度泛函理論圖；

（d）BFO表面沿z軸的Fe和O原子位移，具有兩個OH吸附的密度泛函理論圖；

（e）初始BFO薄膜的TEM圖像；

（f）與酸性溶液接觸后的TEM圖像；

（g）與Milli-Q水接觸后的透的TEM圖像；

（h）相場模擬化學成鍵伴隨著的表面電荷的增加導致的從向上/向下的極化翻轉；

（i）相場模擬化學成鍵伴隨著的表面電荷的增加導致的極化從向下/向上的極化翻轉。

圖 5 塊狀鐵電極化的可擦寫印刷

（a）LSMO層的STO襯底上，初始向上極化的BFO的PFM圖像；

（b）暴露于酸性溶液（pH=3）后的PFM圖像；

（c）暴露于Milli-Q-水和酸性溶液后的PFM圖像；

（d）初始極化向上的BFO在面外投影的極化與水溶液的pH值的關系圖；

（e）將BFO暴露于不同pH值的水溶液中，印刷和擦除鐵電極化的示意圖；

（f）書法藝術品的PFM圖像的漢字“水”；

（e）印刷工藝設計的漢字“水”。

【小結】

本文通過控制BFO表面的化學鍵，證明了水溶液誘導的體極化可逆轉換。極化的大面積可擦除型印刷，由強離子相互作用和隨后的Fe相對于鈣鈦礦氧八面體的原子位移驅動，為實現基于鐵電的數據存儲和傳感裝置提供了新策略。鐵電/水界面上化學和靜電能量的相互轉換，通過極化轉換提供可控的界面結構和動態電荷轉移過程，這可以建立高效催化的平臺和儲能應用。

文獻鏈接：Water printing of ferroelectric polarization（Nature Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-06369-w）。

【課題組簡介】

北京師范大學張實驗室的核心目標是追求納米級氧化物和相關結構的可控功能。 主要研究有：（1）鐵/多鐵材料中，氧化物基構件（界面，疇壁，相界）的人工設計；（2）減小維度上耦合和控制多階參數（例如晶格，自旋，軌道，電荷）背后的新興現象和奇異物理行為；（3）能性納米系統的基礎科學發現與未來可能的應用之間橋梁建立，例如傳感，驅動，數據存儲，能量轉換等。

本文由材料人金屬編輯部張金洋編譯整理。

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