张金星：铁电极化的水印刷

xiangbuzhu

铁电体的表面的非挥发性/可逆电极化和高电荷密度，在促进能量方面发挥关键作用。然而，这种结构抑制了高效率的能量转换，因此，原位控制铁电液界面结构，具有非常高挑战性。目前，常用外部物理方法（例如：电场、机械力、离子注入）来切换铁电极化，不仅消耗外部化石能源，也不能原位设计所需的铁电液体界面结构。因此，通过原位翻转体极化，来控制铁电/液体界面上的离子和极性结构是非常重要的。在铁电体中，铁酸铋（BiFeO3：BFO）是高稳定性和生物相容性的多铁性材料。由Bi 6s和O 2p原子轨道组成的高位价带导致可见光内的带隙（Eg≈2.6-2.8eV），能带跨越水氧化还原水平，具有独特的水分裂潜力。因此，与其他铁电氧化物相比，水分子更可能在其极性表面上解离吸附和构建可控的离子/分子结构和跨界面的能量转换。本文通过人工设计离子吸附和BFO-水的界面化学反应，调节水溶液中的H+/OH-浓度，产生了可逆的大面积极化翻转。

近日，中国北京师范大学的张金星作者等人，发现在水溶液中，铁电BiFeO3表面的化学键导致可逆体极化转换。本文采用压电响应力显微镜、X射线光电子能谱、扫描透射电子显微镜、第一性原理计算和相场模拟，发现可逆极化转换的原因是其表面极化选择性化学键降低了界面化学能。通过H+/OH-浓度，可以有效地调节其静电能。这种水诱导的铁电翻转，能够利用绿色能源构建大规模的极化印刷，为传感、高效催化和数据存储开辟了新的机会。相关成果以“Water printing of ferroelectric polarization”为题发表在Nature Communication上。

本文通过控制BFO表面的化学键，证明了水溶液诱导的体极化可逆转换。极化的大面积可擦除型印刷，由强离子相互作用和随后的Fe相对于钙钛矿氧八面体的原子位移驱动，为实现基于铁电的数据存储和传感装置提供了新策略。铁电/水界面上化学和静电能量的相互转换，通过极化转换提供可控的界面结构和动态电荷转移过程，这可以建立高效催化的平台和储能应用。

文献链接：Water printing of ferroelectric polarization（Nature Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-06369-w）。