港理工&北理工Nat. Commun.：撓曲電性增強的鈣鈦礦極化效應

大兵哥 11個月前 (09-18) 2036瀏覽

一、【導讀】

功能材料的機電特性在電子設備中發揮著重要作用。對于具有獨特機電功能的鈣鈦礦氧化物，應變工程可以刺激顯著的電子現象，例如在非極性材料SrTiO₃中誘導極化，在PbTiO₃中誘導創紀錄的高極化值。與同質應變相比，應變梯度與空間尺度成反比，當系統從宏觀尺度（~1/m）縮小到納米尺度（10⁷/m）時，應變梯度可以增加七個數量級。撓曲電效應（Flexoelectricity）是一種由梯度應變產生的電極化效應，是近年來逐漸發展起來、具有重要傳感和驅動應用潛質的新型機電耦合效應。撓曲電效應在納米尺度上成為一個重要的甚至是主導的效應，因此有可能誘發新的物理現象，逐漸引起人們的關注。除了鈣鈦礦氧化物的新型應變誘導電特性外，最近的研究還發現了一些有趣的機械特性，這些特性產生于壓電和撓曲電的相互作用，這意味著機械響應可以通過應變梯度進行調制。在獨立的超薄膜（幾個單位晶胞厚度）中的這種相互作用，在小尺度的巨大應變梯度的存在下，預計會出現更有趣的機械現象。

二、【成果掠影】

近日，香港理工大學蔡嵩驊教授、北京理工大學洪家旺教授、南京大學聶越峰教授、加州大學歐文分校潘曉晴教授、華威大學王鵬教授等人聯合報告了極性BFO和非極性STO的高質量柔性獨立鈣鈦礦氧化物在高達10⁷?m^-1或更高，表明撓曲電性在確定納米級極化中起主導作用。令人興奮的是，除了BFO膜的極化增強之外，研究結果還揭示了具有撓曲膨脹/收縮效應的不尋常的機械性能。這不同于彈性理論，在彈性理論中，彎曲單相膜的厚度保持不變。此外，作者的分析展示了由撓曲電性和壓電性之間的相互作用驅動的不規則機械現象，揭示了彎曲獨立鈣鈦礦氧化物的新物理性質。此外，納米科學的一個新領域正在打開，允許通過原子尺度上的巨大應變梯度調整機電行為，這對于納米機電系統的相關研究和潛在應用至關重要。相關研究成果以題為“Enhanced polarization and abnormal flexural deformation in bent freestanding perovskite oxides”發表在知名期刊Nature Communications上。

三、【核心創新點】

極性BFO和非極性STO的高質量柔性獨立鈣鈦礦氧化物在高達10⁷?m^-1或更高，表明撓曲電性在確定納米級極化中起主導作用，展示了由撓曲電性和壓電性之間的相互作用驅動的不規則機械現象，揭示了彎曲獨立鈣鈦礦氧化物的新物理性質。

四、【論文掠影】

圖一、BiFeO₃（BFO）膜的彎曲行為 ? 2022 Springer Nature

（a）BFO獨立褶皺的SEM圖像。

（b）（a）中褶皺的橫截面STEM-HAADF圖像。

（c-e）（b）中彎曲部位1、2、3對應的STEM-HAADF圖像。

（f-h）（c-e）中對應框中相應映射結果。

圖二、SrTiO₃（STO）膜的彎曲行為 ? 2022 Springer Nature

（a-c）自具有應變梯度的不同彎曲區域彎曲STO的STEM-HAADF圖像。

（d-f）（a-c）中對應框中相應映射結果。

圖三、彎曲BFO和STO膜的機械行為 ? 2022 Springer Nature

（a-b）中性層的面外極化以及彎曲的BFO和STO薄膜對應的應變梯度。

（c）彎曲薄膜中的理論反對稱面內和面外應變分布示意圖。

（d-e）彎曲BFO中的反對稱面內和不對稱的平面外應變分布，其應變梯度沿厚度方向為3.5×107 m^-1。

（f）平均晶格間距c與彎曲BFO和STO中應變梯度的關系。

圖四、壓電薄膜的撓曲膨脹與撓曲收縮效應 ? 2022 Springer Nature

（a-f）具有不同彎曲膨脹系數A的鐵電膜（5 nm厚）的模擬彎曲變形。

（g-h）分別在向上和向下彎曲BFO中觀察到的柔韌性擴展和撓曲性效應。

（i）（g）中梯形區域的應變圖顯示了沿厚度方向的對稱面積分布和不對稱的平面外應變分布。

（j）（h）中梯形區域的應變圖顯示了與（i）中相反的對稱面板應變分布和不對稱的平面外應變分布。

五、【前景展望】

研究表明，獨立式鈣鈦礦氧化物顯示出特殊的靈活性和適應巨大應變梯度的能力。撓曲電極化在原子尺度上變得如此重要，以至于應變梯度工程為操縱這些強相關二維材料中的電氣和機械行為提供了一條新的途徑，作為多功能柔性電子和納米機器的未來潛在構建塊。此外，增強的撓曲電極化為本征非極性材料在極性相關電子學中的應用打開了大門。研究發現，在低維極性材料中，撓曲電效應和壓電效應之間的相互作用導致彎曲厚度相對于自發極化符號的不對稱變化。考慮到彎曲剛度對厚度變化敏感，應變梯度驅動的撓曲膨脹或撓曲收縮現象將導致相對于自發極化符號的不對稱彎曲剛度。這意味著彎曲剛度具有兩種不同的狀態，“剛性”狀態來自撓曲膨脹，而“柔性”狀態來自撓曲收縮。這兩種狀態可以通過用電場調制自發極化的方向可逆地切換。因此，獨立鐵電氧化物可以作為一種變剛度機電算子，為控制3D屈曲自組裝納米結構和可編程形狀變形器件的配置提供了一種有前景的方法。這種不尋常的機械性能有望使BFO和其他鐵電膜成為有效的智能機械材料，并強烈影響納米機械性能，例如振動、斷裂和起皺模式，這些模式在納米機電系統和三維自組裝納米結構的應用中起著關鍵作用。

文獻鏈接：Enhanced polarization and abnormal flexural deformation in bent freestanding perovskite oxides (Nature Communications 2022, 13, 5116)

標簽：撓曲電性，鈣鈦礦