發(fā)布時間：2023年4月4日
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【導(dǎo)讀】
近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院聶越峰教授課題組與北京理工大學(xué)宇航學(xué)院洪家旺教授課題組合作，借助熱處理方法在自支撐PbTiO3（PTO）鐵電薄膜中實(shí)現(xiàn)了多種不同的鐵電疇結(jié)構(gòu)（c疇、c/a混合疇、以及a1/a2疇），并因此獲得了縱向壓電系數(shù)d33的大范圍調(diào)控。該工作為自支撐鐵電/壓電薄膜的壓電性調(diào)控提供了新思路，展示了在低維柔性傳感器和致動器等方面的廣闊應(yīng)用前景。
【研究背景】
隨著電子設(shè)備高集成、小型化的發(fā)展，人們迫切需要研究具有優(yōu)異壓電性能的低維材料，并將其應(yīng)用于高性能微納米機(jī)電系統(tǒng)(M/NEMS)的設(shè)計與開發(fā)。二維壓電材料通常具有較低的縱向壓電系數(shù)d33，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。鈣鈦礦氧化物鐵電陶瓷在所有已知的壓電材料中具有最高的壓電系數(shù)，但這種體系的外延薄膜因受剛性襯底的束縛，其機(jī)電響應(yīng)在很大程度上受到抑制。與此不同，自支撐鈣鈦礦氧化物鐵電薄膜由于脫離了襯底的束縛，有望在低維材料中獲得數(shù)值更高且范圍可調(diào)的縱向壓電系數(shù)。
【創(chuàng)新研究】
為實(shí)現(xiàn)具有高縱向壓電系數(shù)的低維材料，聶越峰教授課題組嘗試制備高質(zhì)量自支撐鐵電氧化物PbTiO3（PTO）薄膜并將其轉(zhuǎn)移至硅基底上以探究其壓電性的調(diào)控。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過熱處理過程實(shí)現(xiàn)了多種鐵電疇結(jié)構(gòu)（c、c/a、a1/a2疇），同時獲得了大范圍可調(diào)的縱向壓電系數(shù)。與傳統(tǒng)的通過外延襯底對薄膜施加應(yīng)變進(jìn)行疇結(jié)構(gòu)調(diào)控不同，本工作則是通過對自支撐薄膜進(jìn)行退火處理來獲得不同的疇結(jié)構(gòu)。對于PTO外延薄膜，由于受到單晶襯底在面內(nèi)方向的束縛作用，極化指向面外方向的c疇是最穩(wěn)定的狀態(tài)。將具有c疇結(jié)構(gòu)的PTO薄膜借助水溶性犧牲層的辦法從襯底上剝離，可獲得無襯底鉗制的自支撐薄膜，此時自支撐薄膜仍然具有c疇結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度升高至居里溫度以上時，PTO從鐵電四方相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娏⒎较啵诮禍氐倪^程中重新轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆借F電相且形成新的疇結(jié)構(gòu)。由于存在面外方向的退極化場，面外極化的c疇處于亞穩(wěn)態(tài)而極化指向面內(nèi)方向的a（a1/a2）疇則是能量更低的穩(wěn)態(tài)。通過調(diào)控降溫速率，可以調(diào)節(jié)c疇和a疇的比例，慢速降溫過程可以讓晶格和極化有足夠時間弛豫至更穩(wěn)定的a（a1/a2）疇結(jié)構(gòu)，而快速降溫則可以獲得含有亞穩(wěn)態(tài)的c/a混合疇（圖1a）。洪家旺教授課題組通過相場模擬，揭示了PTO疇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變規(guī)律，同時計算了不同疇結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的縱向壓電系數(shù)d33。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，類比于準(zhǔn)同型相界（MPB）附近可獲得較高壓電性，在具有c/a混合疇結(jié)構(gòu)的自支撐PTO薄膜中可以獲得高達(dá)214 pm/V的縱向壓電系數(shù)，這是塊體PTO縱向壓電系數(shù)的2.5（圖1b）。另外，值得一提的是，研究還顯示c/a混合疇的壓電效應(yīng)是純面內(nèi)極化a（a1/a2）疇的30，展示了在同一種材料中可以通過簡單的熱處理即獲得對其壓電效應(yīng)大范圍的調(diào)控。
【總結(jié)與展望】
本工作提出了一種對自支撐薄膜進(jìn)行生長后熱處理的方法，獲得了具有不同疇結(jié)構(gòu)的自支撐PTO薄膜，同時實(shí)現(xiàn)了薄膜縱向壓電性的巨大調(diào)控，該工作為調(diào)控和增強(qiáng)低維鈣鈦礦材料的壓電性能提供了一種新的途徑。相關(guān)成果以“Tuning Piezoelectricity via Thermal Annealing at a Freestanding Ferroelectric Membrane”為題發(fā)表在Nano Letters期刊上（DOI:10.1021/acs.nanolett.3c00096）。
南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士后韓露、博士生楊昕瑞以及北京理工大學(xué)宇航學(xué)院博士生倫應(yīng)焯為該論文的共同第一作者，聶越峰教授與洪家旺教授為論文的共同通訊作者。加州大學(xué)爾灣分校潘曉晴教授、英國華威大學(xué)的王鵬教授、南京理工大學(xué)汪堯進(jìn)教授和劉麗莎教授為本工作提供了重要的支持。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、教育部“長江學(xué)者獎勵計劃”、北京市自然科學(xué)基金以及博士后創(chuàng)新人才支持計劃等項(xiàng)目的資助；此外，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省功能材料設(shè)計原理與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及重慶超算中心對該項(xiàng)研究工作給予了重要支持。
來源：南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院網(wǎng)站 2023.3.28