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鐵電材料是一種具有自發(fā)極化，且能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能和電能轉(zhuǎn)換的功能材料。這種集電極化與機(jī)電耦合作用于一體的材料，在磁電互調(diào)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、壓力傳感和超聲波傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。而今柔性電子技術(shù)正帶來(lái)一場(chǎng)智能可穿戴技術(shù)革命，鐵電材料將在柔性電子領(lǐng)域?qū)缪葜匾巧?。然而由于缺陷、晶界的存在以及氧化物離子鍵/共價(jià)鍵本身延展性相對(duì)較小，塊體鐵電氧化物在力學(xué)行為上表現(xiàn)出脆性和剛性，而薄膜鐵電氧化物能否克服這些缺陷，并展現(xiàn)出超彈性和超柔性使其可應(yīng)用于柔性器件中，將是目前亟待解決的問(wèn)題。 
北京時(shí)間2019年10月25日，西安交通大學(xué)劉明教授課題組和丁向東教授課題組聯(lián)合國(guó)內(nèi)外合作者，在Science發(fā)表題為'Super-elastic ferroelectric single-crystal membrane with continuous electric dipole rotation'的研究論文。在研究中通過(guò)納米機(jī)械臂對(duì)其進(jìn)行原位彎曲實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)BaTiO3薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)180°折疊，其承受的最大彎曲應(yīng)變高達(dá)~10%。同時(shí)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)在對(duì)其進(jìn)行大角度壓縮后，隨著外力撤去，BaTiO3薄膜的形狀能夠回彈，展現(xiàn)出超彈性行為。原子模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，BaTiO3薄膜的超彈性可能起源于鐵電納米疇在大應(yīng)變梯度下a和c鐵電疇的可逆翻轉(zhuǎn)。這一研究結(jié)果為鐵電體中電極化與機(jī)械作用的研究打開(kāi)了新的思路。一方面自支撐的BaTiO3單晶薄膜擺脫了鐵電氧化物塊材的脆性，擁有良好的超彈性行為和可彎曲折疊性，有望在柔性電子器件和磁電耦合器件中獲得廣泛應(yīng)用；另一方面BaTiO3薄膜的彎曲折疊能夠產(chǎn)生巨大的應(yīng)變梯度將極可能會(huì)呈現(xiàn)出顯著的撓曲電效應(yīng)。
圖1 (A-C) BaTiO3薄膜轉(zhuǎn)移前/后晶體結(jié)構(gòu)示意圖、倒易空間掃描圖及光學(xué)照片；(D) 自支撐BaTiO3薄膜的掃描電鏡透射模式圖像；(E-F)轉(zhuǎn)移到Si襯底上的BaTiO3面外壓電力顯微鏡相位圖和測(cè)量結(jié)果；實(shí)驗(yàn)中采用Sr3Al2O6作為犧牲層剝離并轉(zhuǎn)移出大面積的BaTiO3薄膜。通過(guò)倒易空間掃描和掃描電鏡透射模式分析對(duì)薄膜轉(zhuǎn)移前后的晶體結(jié)構(gòu)做表征，證實(shí)薄膜具有良好的外延性，同時(shí)壓電力顯微鏡測(cè)量結(jié)果說(shuō)明轉(zhuǎn)移下來(lái)的BaTiO3薄膜仍然保持良好的壓電特性。
圖2：BaTiO3卷橫截面的透射電子顯微鏡圖及四個(gè)特征區(qū)的放大圖和彎曲的掃描電鏡透射晶格像。同時(shí)，作者在研究中通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使BaTiO3納米薄膜自發(fā)卷曲形成多層卷，制備了透射電子顯微鏡樣品，并獲得了不同曲率半徑下的多個(gè)區(qū)域圖像。通過(guò)對(duì)各個(gè)區(qū)域原子分辨掃描電鏡透射圖像進(jìn)行極化分析，構(gòu)建出不同應(yīng)變大小下極化分布的特點(diǎn)。例如，在應(yīng)變狀態(tài)為3.1%時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)在BaTiO3納米薄膜的極化方向會(huì)隨著薄膜中應(yīng)力狀態(tài)的不同而呈現(xiàn)多個(gè)取向。這些極化取向與四方相BaTiO3晶體的90°和180°鐵電疇完全不同，說(shuō)明在較大的應(yīng)變梯度下，不僅會(huì)發(fā)生BaTiO3晶體90°和180°鐵電疇的轉(zhuǎn)換，而且會(huì)出現(xiàn)過(guò)渡狀態(tài)的極化取向。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明，BaTiO3薄膜之所以能夠承受較大的應(yīng)變梯度而不發(fā)生斷裂破碎，很可能是來(lái)源于這些過(guò)渡態(tài)極化取向的存在。
圖3：(A-B)BaTiO3薄膜的原位彎曲掃描電子顯微鏡圖像; (C) 原子模擬計(jì)算加載卸載過(guò)程彎矩與應(yīng)變的關(guān)系; (D) 彎曲前/后鐵電極化的演變圖。作者們?cè)趻呙桦娮语@微鏡中的進(jìn)行了原位彎曲實(shí)驗(yàn)，直觀地對(duì)BaTiO3薄膜的力學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明BaTiO3薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)180°折疊，其承受的最大彎曲應(yīng)變高達(dá)~10%。同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)在對(duì)BaTiO3薄膜進(jìn)行大角度壓縮后，隨著外力撤去，其形狀能夠短時(shí)間回彈，表現(xiàn)超彈性力學(xué)行為。而原子模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，BaTiO3薄膜的超彈性可能起源于在大應(yīng)變梯度下a和c鐵電疇的可逆翻轉(zhuǎn)。同時(shí)在a和c鐵電疇之間也產(chǎn)生了極化的連續(xù)翻轉(zhuǎn)，從而有效降低了能量勢(shì)壘，避免了因?yàn)楫牱D(zhuǎn)而可能導(dǎo)致的斷裂。基于本研究結(jié)果，可以預(yù)測(cè)其他的鐵電體中也可能存在類(lèi)似超彈性行為，為超柔性單晶鐵電薄膜在各類(lèi)柔性電子器件中的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，如柔性傳感器、柔性存儲(chǔ)器、電子皮膚及植入式生物醫(yī)療電子等。此外，具有超彈性的柔性鐵電薄膜也是良好的電場(chǎng)調(diào)控介質(zhì)，將其與柔性鐵電薄膜復(fù)合，可望避免傳統(tǒng)多鐵薄膜異質(zhì)結(jié)中存在的襯底束縛作用，顯著提高磁電耦合效應(yīng)，為未來(lái)開(kāi)發(fā)新型小電場(chǎng)可調(diào)的柔性磁電器件奠定基礎(chǔ)。該工作由西安交通大學(xué)電信學(xué)部劉明教授課題組和材料學(xué)院丁向東教授課題組合作完成，西安交通大學(xué)為第一和唯一通訊作者單位。電信學(xué)院董國(guó)華博士生、材料學(xué)院李蘇植教授和電信學(xué)院姚謀騰博士生為共同第一作者。劉明教授、周子堯教授及丁向東教授為共同通訊作者。論文作者還包括清華大學(xué)南策文教授、西安交通大學(xué)任巍教授與孫軍教授、加拿大西蒙菲莎大學(xué)葉作光教授、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院李江宇教授、中科大羅震林副教授、美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授及美國(guó)麻省理工學(xué)院李巨教授等。交大分析測(cè)試共享中心對(duì)該工作提供長(zhǎng)期技術(shù)支持，同時(shí)該工作也得到了國(guó)家基金委和科技部的支持。
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