西安交大科研人員在可拉伸鐵電氧化物領域取得重要進展
近年來，隨著柔性電子技術和產業的迅速發展，柔性功能氧化物由于其各種豐富的功能特性成為柔性電子器件中的核心功能材料。目前，功能氧化物的柔性化主要通過兩種方式來實現：直接在柔性襯底上生長，例如耐高溫的柔性云母片及有機聚酰亞胺膜等；此外，通過物理/化學刻蝕等技術使功能氧化物薄膜從剛性襯底剝離，實現自支撐狀態或者轉移至柔性襯底。功能氧化物本征的力學行為由于結構穩定性、晶體缺陷密度等因素，往往表現出脆性特征，但在特殊材料體系中卻能表現出優異的機械性能。例如在自支撐鐵電單晶氧化物薄膜中發現超彈、超柔性力學特性(Science 2019, 366, 475-479)。柔性功能氧化物薄膜在受到單軸或雙軸拉伸以及彎曲等力學加載時，其最大應變約為10%。在柔性電子器件中，少量的形變(<10%)以及只能彎曲的力學特征是不夠的，同時具備可彎曲、可拉伸和可扭曲的機械性能對氧化物材料來說，仍然是當前面臨的巨大挑戰。特殊的機械結構和布局，是實現可拉伸電子設備的關鍵。
La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3彈簧結構的制備、可拉伸特性及極化演變
近日，西安交通大學電信學部電子科學與工程學院劉明教授團隊、蘭州大學彭勇教授團隊及北京理工大學黃厚兵研究員團隊合作，構建出氧化物外延異質結彈簧結構，并發現該氧化物微納彈簧結構具有巨大的可伸縮機械性能。
該工作通過水溶性犧牲層技術實現了La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3異質結的剝離，在剝離過程中異質結沿著[110]方向發生解理，從而使異質結薄膜形成納米帶結構，自支撐納米帶在晶格應變作用下自發形成彈簧結構。在原位力學實驗中發現La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3微納彈簧可以承受巨大的壓縮和拉伸形變，同時表現出優異的可恢復特性。相場模擬結果表明，彈簧在被拉伸和壓縮過程中軸向和剪切應變共同作用產生晶格扭轉，且BaTiO3層伴隨有鐵電疇結構的連續翻轉。此研究工作構建了功能氧化物彈簧結構，發現其具有巨大的可伸縮機械性能，揭示了鐵電疇結構在彈簧伸縮過程中的演變規律，為開發基于鐵電/壓電和磁性氧化物的可拉伸柔性電子器件提供了重要的理論和實驗指導。
以上研究成果以《超伸縮性的自助裝外延鐵電氧化物納米彈簧》（Self-assembled Epitaxial Ferroelectric Oxide Nano-spring with Super-scalability）為題在國際著名學術期刊《先進材料》(Advanced Materials, IF=30.849)上發表，西安交通大學為該工作的第一通訊作者單位。電信學部電子科學與工程學院董國華助理教授、蘭州大學碩士生胡玥、北京理工大學博士生郭常青為共同第一作者。劉明教授、周子堯教授、彭勇教授及黃厚兵研究員為共同通訊作者。該工作是劉明教授團隊在自支撐鐵性氧化物薄膜領域發表的又一重要成果。
自從2019年劉明教授團隊首次報道自支撐鐵電氧化物薄膜“即柔又彈”的力學特性，團隊一直致力于柔性功能氧化物方面的應用基礎研究。隨后在其他鐵電單晶薄膜中同樣發現類似的超彈性力學行為，證實了超彈特性在鐵電薄膜中普遍存在；利用鐵電單晶薄膜超彈、超柔特性，成功實現鐵電褶皺薄膜結構的可控制備，發現褶皺結構可以誘導出周期性的壓電響應；借助氧化物異質結內建的應變梯度，制備出氧化物外延異質結彈簧結構，發現氧化物微納彈簧結構具有巨大的可伸縮機械性能。這些研究工作推動了鐵性氧化物作為核心功能材料應用到柔性電子器件，并為此打下堅實的理論和實驗基礎。這一系列工作分別發表于《科學》（Science）、《先進材料》（Advanced Materials) 、《科學進展》（Science Advances）、《先進功能材料》（Advanced Functional Materials） 等期刊。
該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、陜西省重點研發計劃、西安交大基本科研業務費及中國博士后科學基金等項目的資助，同時感謝分析測試共享中心長期提供的技術支持。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202108419
劉明教授主頁：http://gr.xjtu.edu.cn/web/mingliu
