??北京時間2019年10月25日，美國《科學(xué)》雜志在線發(fā)表了西安交通大學(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的最新合作論文“Super-elastic ferroelectric single-crystal membrane with continuous electric dipole rotations（具有連續(xù)電偶極旋轉(zhuǎn)的超彈性鐵電單晶薄膜）”。

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，在磁電互調(diào)、機(jī)械驅(qū)動、壓力傳感和數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。柔性電子技術(shù)正帶來一場智能可穿戴技術(shù)革命，而鐵電材料將在柔性電子領(lǐng)域?qū)缪葜匾巧?。由于存在缺陷、晶界以及氧化物離子鍵/共價鍵本身延展性相對較小等問題，塊體鐵電氧化物表現(xiàn)出一定脆性和剛性。如何克服這些困難，在鐵電薄膜中實現(xiàn)超彈性和柔性并將其應(yīng)用在柔性電子器件中是目前亟待解決的問題。

圖A-C BaTiO3薄膜轉(zhuǎn)移前/后晶體結(jié)構(gòu)示意圖、RSM及光學(xué)照片；圖D BaTiO3/Pt/Si的面外PFM相位圖；圖E 自支撐BaTiO3薄膜的STEM圖像；圖F 原位SEM彎曲測試；圖G 原子模擬計算加載卸載過程彎矩與應(yīng)變的關(guān)系；圖H 彎曲前/后鐵電極化的演變圖。

聚焦此關(guān)鍵科學(xué)問題，西安交大劉明教授團(tuán)隊和丁向東教授團(tuán)隊合作，對鐵電單晶薄膜材料柔性和彈性的力學(xué)行為進(jìn)行了深入研究，并取得了重大突破。研究采用水溶性的Sr3Al2O6作為犧牲層，制備并剝離出大面積的自支撐BaTiO3 (BTO)單晶鐵電薄膜。實驗通過納米機(jī)械臂對其進(jìn)行原位彎曲實驗，發(fā)現(xiàn)BTO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%。同時實驗還發(fā)現(xiàn)在對其進(jìn)行大角度壓縮后，隨著外力撤去，BTO薄膜的形狀能夠回彈，展現(xiàn)出超彈性行為。采用原子模擬計算發(fā)現(xiàn)，BTO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)。同時在a和c鐵電疇之間產(chǎn)生了極化的連續(xù)翻轉(zhuǎn)，有效降低了能量勢壘，避免了因為疇翻轉(zhuǎn)而可能導(dǎo)致的斷裂。另外在彎曲狀態(tài)下，大應(yīng)變梯度也將誘導(dǎo)出顯著的繞曲電效應(yīng)，實現(xiàn)基于力電耦合的功能器件一體化，從而進(jìn)一步加強(qiáng)基于柔性單晶鐵電薄膜相關(guān)器件的功能性。

基于本研究結(jié)果，可以預(yù)期其他鐵電體中也應(yīng)該存在類似力學(xué)行為，為其他鐵電單晶薄膜中實現(xiàn)超彈性提供了實驗依據(jù)。此外，具有超彈性的柔性鐵電薄膜也是良好的電場調(diào)控介質(zhì)，將其與柔性鐵電薄膜復(fù)合，可避免傳統(tǒng)多鐵薄膜異質(zhì)結(jié)中存在的襯底束縛作用，并顯著提高磁電耦合效應(yīng)，為未來開發(fā)新型小電場可調(diào)的柔性磁電器件奠定基礎(chǔ)。

該工作西安交通大學(xué)為第一和唯一通訊作者單位。電信學(xué)院董國華博士、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)孫軍教授和任巍教授、加拿大西蒙菲莎大學(xué)葉作光教授、中國科學(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、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授及美國麻省理工大學(xué)李巨教授等。特別感謝微納尺度材料行為研究中心張永強(qiáng)同學(xué)在電鏡原位表征方面的技術(shù)支持，感謝分析測試共享中心長期提供的技術(shù)支持，感謝賈春林科學(xué)家工作室提供的微結(jié)構(gòu)分析平臺，工作得到國家基金委和科技部的支持。