找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

查看: 2215|回复: 0

[材料资讯] 刘明教授课题组Science:发现单晶铁电氧化物薄膜超弹性行为

[复制链接]

30

主题

80

帖子

94

积分

注册会员

Rank: 2

积分
94
发表于 2019-10-26 10:05:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
美国《科学》杂志在线发表了西安交通大学电信学部刘明教授课题组和材料学院丁向东教授课题组的最新合作论文“Super-elastic ferroelectric single-crystal membrane with continuous electric dipole rotations(具有连续电偶极旋转的超弹性铁电单晶薄膜)”。
       铁电材料是一种具有自发极化,且能够实现机械能和电能转换的功能材料,在磁电互调、机械驱动、压力传感和数据存储等领域具有广泛的应用。柔性电子技术正带来一场智能可穿戴技术革命,而铁电材料将在柔性电子领域将扮演重要角色。由于存在缺陷、晶界以及氧化物离子键/共价键本身延展性相对较小等问题,块体铁电氧化物表现出一定脆性和刚性。如何克服这些困难,在铁电薄膜中实现超弹性和柔性并将其应用在柔性电子器件中是目前亟待解决的问题。

单晶铁电氧化物薄膜超弹性

单晶铁电氧化物薄膜超弹性

图A-C BaTiO3薄膜转移前/后晶体结构示意图、RSM及光学照片;图D BaTiO3/Pt/Si的面外PFM相位图;图E 自支撑BaTiO3薄膜的STEM图像;图F 原位SEM弯曲测试;图G 原子模拟计算加载卸载过程弯矩与应变的关系;图H 弯曲前/后铁电极化的演变图。

       聚焦此关键科学问题,西安交大刘明教授团队和丁向东教授团队合作,对铁电单晶薄膜材料柔性和弹性的力学行为进行了深入研究,并取得了重大突破。研究采用水溶性的Sr3Al2O6作为牺牲层,制备并剥离出大面积的自支撑BaTiO3 (BTO)单晶铁电薄膜。实验通过纳米机械臂对其进行原位弯曲实验,发现BTO薄膜能够实现180°折叠,其承受的最大弯曲应变高达~10%。同时实验还发现在对其进行大角度压缩后,随着外力撤去,BTO薄膜的形状能够回弹,展现出超弹性行为。采用原子模拟计算发现,BTO薄膜的超弹性可能起源于铁电纳米畴在大应变梯度下a和c铁电畴的可逆翻转。同时在a和c铁电畴之间产生了极化的连续翻转,有效降低了能量势垒,避免了因为畴翻转而可能导致的断裂。另外在弯曲状态下,大应变梯度也将诱导出显著的绕曲电效应,实现基于力电耦合的功能器件一体化,从而进一步加强基于柔性单晶铁电薄膜相关器件的功能性。
       基于本研究结果,可以预期其他铁电体中也应该存在类似力学行为,为其他铁电单晶薄膜中实现超弹性提供了实验依据。此外,具有超弹性的柔性铁电薄膜也是良好的电场调控介质,将其与柔性铁电薄膜复合,可避免传统多铁薄膜异质结中存在的衬底束缚作用,并显著提高磁电耦合效应,为未来开发新型小电场可调的柔性磁电器件奠定基础。
       该工作西安交通大学为第一和唯一通讯作者单位。电信学部董国华博士、材料学院李苏植教授和电信学部姚谋腾博士生为共同第一作者。刘明教授、周子尧教授及丁向东教授为共同通讯作者。论文作者还包括清华大学南策文教授、西安交通大学孙军教授和任巍教授、加拿大西蒙菲莎大学叶作光教授、中国科学院深圳先进技术研究院李江宇教授、中科大罗震林副教授、美国宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授及美国麻省理工大学李巨教授等。特别感谢微纳尺度材料行为研究中心张永强同学在电镜原位表征方面的技术支持,感谢分析测试共享中心长期提供的技术支持,感谢贾春林科学家工作室提供的微结构分析平台,感谢西安交大高算中心提供的计算资源支持,工作得到国家基金委和科技部的支持。
       刘明教授团队主页: http://mliu.xjtu.edu.cn/
       论文链接:https://science.sciencemag.org/content/366/6464/475

       铁电体是指具有铁电性的材料。铁电体在压电、介电、热释电和电致伸缩等方面有许多应用。具有铁电性的材料种类很多,有单晶、多晶、无机和有机等。钛酸钡、钛酸铅、铌酸钾等是典型的铁电体 。某些晶体在一定的温度范围内具有自发极化,而且其自发极化方向可以因外电场方向的反向而反向,晶体的这种性质称为铁电性,具有铁电性的晶体称为铁电体。它之所以称为铁电体,是因为它与铁磁体在许多物理性质上有一一对应之处,如电滞回线对应磁滞回线,电畴对应磁畴,顺电-铁电相变对应顺磁-铁磁相变、电矩对应磁矩等等,而并非晶体中一定含有“铁”。至于一种晶体是否是铁电体,我们并不能根据其内部结构的对称性来预测,只能通过实验来测定。铁电体的重要特征之一是具有电滞回线,电滞回线的存在是判定晶体为铁电体的重要根据。

       刘明,1977年8月生,西安交通大学首批“青年拔尖人才”,“腾飞”特聘教授,博士生导师。陕西省“百人计划”特聘教授。目前担任西安交通大学研究生院副院长,西安市政协委员。2010年5月毕业于美国东北大学(Northeastern University)电子与计算机工程系,被授予电子工程博士学位。同年获得美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)主任博士后基金(Director’s Postdoctoral Fellowship)的资助开展博士后研究。2013年9月,全职回到西安交通大学电子陶瓷与器件教育部重点实验室&国际电介质研究中心担任教授。研究领域为多铁磁电材料与器件、自旋电子元器件与自旋电子学、高频微波材料与器件等。迄今为止在国际知名期刊发表SCI论文100余篇,论文引用超过2600次,H因子27。申请或授权发明专利7项。应邀在国际学术会议上担任分会主席10次,做学术邀请报告20余次,同时担任SCI期刊Scientific Reports,IEEE Magnetic Letters和JMIHI的编委,以及Sensors和Physics Letter A的客座编委,是科技部重大专项会评专家,中国电子学会高级会员。主持和参与了多项国家自然科学基金面上和重点项目、国家重点基础研究发展计划项目和2011协同创新中心项目,美国海军研究总署、美国自然科学基金、以及美国能源部开放实验室项目。

       丁向东,博士,男,1970年生,现为西安交大金属材料强度国家重点实验室教授,金属材料强度研究室主任, 2007年入选教育部新世纪优秀人才计划,2011年入选西安交通大学“腾飞”特聘教授。目前是一项973计划项目的课题负责人,以及973计划课题和863计划(各一项,已结题)的第二负责人,主持国家自然科学基金2项(已结题),同时作为主要参加人参加过111计划、863计划以及多项国家杰出青年科学基金和国家自然科学基金。1999年获吉林工大材料科学与工程专业博士,2000年进入西安交大金属材料强度国家重点实验室作博士后(合作导师孙军教授),2002年9月留校任教。其中2006年至2008年在日本国立物质材料研究所任客座研究员,2009年至2011年在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室理论部做访问学者。目前主要研究方向与日本国立物质材料研究院、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、美国宾夕法尼亚大学、英国剑桥大学的国际知名学者有着密切的国际合作关系。

  声明:本网部分文章和图片来源于网络,发布的文章仅用于材料专业知识和市场资讯的交流与分享,不用于任何商业目的。任何个人或组织若对文章版权或其内容的真实性、准确性存有疑义,请第一时间联系我们,我们将及时进行处理。

本帖被以下淘专辑推荐:

回复

使用道具 举报

小黑屋|手机版|Archiver|版权声明|一起进步网 ( 京ICP备14007691号-1

GMT+8, 2024-3-29 14:39 , Processed in 0.095923 second(s), 48 queries .

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表