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；D BaTiO₃/Pt/Si的面外PFM相位圖；E 自支撐BaTiO₃薄膜的STEM圖像；F原位SEM彎曲測(cè)試；G 原子模擬計(jì)算加載卸載過(guò)程彎矩與應(yīng)變的關(guān)系；H彎曲前/后鐵電極化的演變圖 

　　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(dòng)、壓力傳感和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。柔性電子技術(shù)正帶來(lái)一場(chǎng)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Ｓ捎诖嬖谌毕荨⒕Ы缫约把趸镫x子鍵/共價(jià)鍵本身延展性相對(duì)較小等問(wèn)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(shí)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(wèn)題。

　　聚焦此關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，西安交通大學(xué)電信學(xué)部教授劉明課題組和材料學(xué)院教授丁向東課題組合作，對(duì)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。《科學(xué)》雜志于北京時(shí)間10月25日在線(xiàn)發(fā)表了其最新合作成果論文“具有連續(xù)電偶極旋轉(zhuǎn)的超彈性鐵電單晶薄膜”。 

　　他們采用水溶性的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(shí)驗(yàn)通過(guò)納米機(jī)械臂對(duì)其進(jìn)行原位彎曲實(shí)驗(yàn)，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(shí)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)在對(duì)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。進(jìn)而采用原子模擬計(jì)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(shí)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(shì)壘，避免了因?yàn)楫牱D(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(shí)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。

　　基于以上研究結(jié)果，可以預(yù)期其他鐵電體中也應(yīng)該存在類(lèi)似力學(xué)行為，為其他鐵電單晶薄膜中實(shí)現(xiàn)超彈性提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。此外，具有超彈性的柔性鐵電薄膜也是良好的電場(chǎng)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(lái)開(kāi)發(fā)新型小電場(chǎng)可調(diào)的柔性磁電器件奠定基礎(chǔ)。

　　相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1126/science.aay7221