港理工&北理工Nat. Commun.：挠曲电性增强的钙钛矿极化效应

大兵哥 1年前 (2022-09-18) 2526浏览

一、【导读】

功能材料的机电特性在电子设备中发挥着重要作用。对于具有独特机电功能的钙钛矿氧化物，应变工程可以刺激显著的电子现象，例如在非极性材料SrTiO3中诱导极化，在PbTiO3中诱导创纪录的高极化值。与同质应变相比，应变梯度与空间尺度成反比，当系统从宏观尺度（~1/m）缩小到纳米尺度（107/m）时，应变梯度可以增加七个数量级。挠曲电效应（Flexoelectricity）是一种由梯度应变产生的电极化效应，是近年来逐渐发展起来、具有重要传感和驱动应用潜质的新型机电耦合效应。挠曲电效应在纳米尺度上成为一个重要的甚至是主导的效应，因此有可能诱发新的物理现象，逐渐引起人们的关注。除了钙钛矿氧化物的新型应变诱导电特性外，最近的研究还发现了一些有趣的机械特性，这些特性产生于压电和挠曲电的相互作用，这意味着机械响应可以通过应变梯度进行调制。在独立的超薄膜（几个单位晶胞厚度）中的这种相互作用，在小尺度的巨大应变梯度的存在下，预计会出现更有趣的机械现象。

二、【成果掠影】

近日，香港理工大学蔡嵩骅教授、北京理工大学洪家旺教授、南京大学聂越峰教授、加州大学欧文分校潘晓晴教授、华威大学王鹏教授等人联合报告了极性BFO和非极性STO的高质量柔性独立钙钛矿氧化物在高达107 m-1或更高，表明挠曲电性在确定纳米级极化中起主导作用。令人兴奋的是，除了BFO膜的极化增强之外，研究结果还揭示了具有挠曲膨胀/收缩效应的不寻常的机械性能。这不同于弹性理论，在弹性理论中，弯曲单相膜的厚度保持不变。此外，作者的分析展示了由挠曲电性和压电性之间的相互作用驱动的不规则机械现象，揭示了弯曲独立钙钛矿氧化物的新物理性质。此外，纳米科学的一个新领域正在打开，允许通过原子尺度上的巨大应变梯度调整机电行为，这对于纳米机电系统的相关研究和潜在应用至关重要。相关研究成果以题为“Enhanced polarization and abnormal flexural deformation in bent freestanding perovskite oxides”发表在知名期刊Nature Communications上。

三、【核心创新点】

极性BFO和非极性STO的高质量柔性独立钙钛矿氧化物在高达107 m-1或更高，表明挠曲电性在确定纳米级极化中起主导作用，展示了由挠曲电性和压电性之间的相互作用驱动的不规则机械现象，揭示了弯曲独立钙钛矿氧化物的新物理性质。

四、【论文掠影】

图一、BiFeO3（BFO）膜的弯曲行为© 2022 Springer Nature

（a）BFO独立褶皱的SEM图像。

（b）（a）中褶皱的横截面STEM-HAADF图像。

（c-e）（b）中弯曲部位1、2、3对应的STEM-HAADF图像。

（f-h）（c-e）中对应框中相应映射结果。

图二、SrTiO3（STO）膜的弯曲行为© 2022 Springer Nature

（a-c）自具有应变梯度的不同弯曲区域弯曲STO的STEM-HAADF图像。

（d-f）（a-c）中对应框中相应映射结果。

图三、弯曲BFO和STO膜的机械行为© 2022 Springer Nature

（a-b）中性层的面外极化以及弯曲的BFO和STO薄膜对应的应变梯度。

（c）弯曲薄膜中的理论反对称面内和面外应变分布示意图。

（d-e）弯曲BFO中的反对称面内和不对称的平面外应变分布，其应变梯度沿厚度方向为3.5×107 m-1。

（f）平均晶格间距c与弯曲BFO和STO中应变梯度的关系。

图四、压电薄膜的挠曲膨胀与挠曲收缩效应© 2022 Springer Nature

（a-f）具有不同弯曲膨胀系数A的铁电膜（5 nm厚）的模拟弯曲变形。

（g-h）分别在向上和向下弯曲BFO中观察到的柔韧性扩展和挠曲性效应。

（i）（g）中梯形区域的应变图显示了沿厚度方向的对称面积分布和不对称的平面外应变分布。

（j）（h）中梯形区域的应变图显示了与（i）中相反的对称面板应变分布和不对称的平面外应变分布。

五、【前景展望】

研究表明，独立式钙钛矿氧化物显示出特殊的灵活性和适应巨大应变梯度的能力。挠曲电极化在原子尺度上变得如此重要，以至于应变梯度工程为操纵这些强相关二维材料中的电气和机械行为提供了一条新的途径，作为多功能柔性电子和纳米机器的未来潜在构建块。此外，增强的挠曲电极化为本征非极性材料在极性相关电子学中的应用打开了大门。研究发现，在低维极性材料中，挠曲电效应和压电效应之间的相互作用导致弯曲厚度相对于自发极化符号的不对称变化。考虑到弯曲刚度对厚度变化敏感，应变梯度驱动的挠曲膨胀或挠曲收缩现象将导致相对于自发极化符号的不对称弯曲刚度。这意味着弯曲刚度具有两种不同的状态，“刚性”状态来自挠曲膨胀，而“柔性”状态来自挠曲收缩。这两种状态可以通过用电场调制自发极化的方向可逆地切换。因此，独立铁电氧化物可以作为一种变刚度机电算子，为控制3D屈曲自组装纳米结构和可编程形状变形器件的配置提供了一种有前景的方法。这种不寻常的机械性能有望使BFO和其他铁电膜成为有效的智能机械材料，并强烈影响纳米机械性能，例如振动、断裂和起皱模式，这些模式在纳米机电系统和三维自组装纳米结构的应用中起着关键作用。

文献链接：Enhanced polarization and abnormal flexural deformation in bent freestanding perovskite oxides(Nature Communications2022,13, 5116)

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