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近年來，隨著柔性電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)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(xiàn)：直接在柔性襯底上生長，例如耐高溫的柔性云母片及有機(jī)聚酰亞胺膜等；此外，通過物理/化學(xué)刻蝕等技術(shù)使功能氧化物薄膜從剛性襯底剝離，實現(xiàn)自支撐狀態(tài)或者轉(zhuǎn)移至柔性襯底。功能氧化物本征的力學(xué)行為由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、晶體缺陷密度等因素，往往表現(xiàn)出脆性特征，但在特殊材料體系中卻能表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能。例如在自支撐鐵電單晶氧化物薄膜中發(fā)現(xiàn)超彈、超柔性力學(xué)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(xué)加載時，其最大應(yīng)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(xué)特征是不夠的，同時具備可彎曲、可拉伸和可扭曲的機(jī)械性能對氧化物材料來說，仍然是當(dāng)前面臨的巨大挑戰(zhàn)。特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)和布局，是實現(xiàn)可拉伸電子設(shè)備的關(guān)鍵。

La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3彈簧結(jié)構(gòu)的制備、可拉伸特性及極化演變

近日，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院劉明教授團(tuán)隊、蘭州大學(xué)彭勇教授團(tuán)隊及北京理工大學(xué)黃厚兵研究員團(tuán)隊合作，構(gòu)建出氧化物外延異質(zhì)結(jié)彈簧結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)該氧化物微納彈簧結(jié)構(gòu)具有巨大的可伸縮機(jī)械性能。

該工作通過水溶性犧牲層技術(shù)實現(xiàn)了La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3異質(zhì)結(jié)的剝離，在剝離過程中異質(zhì)結(jié)沿著[110]方向發(fā)生解理，從而使異質(zhì)結(jié)薄膜形成納米帶結(jié)構(gòu)，自支撐納米帶在晶格應(yīng)變作用下自發(fā)形成彈簧結(jié)構(gòu)。在原位力學(xué)實驗中發(fā)現(xiàn)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(xiàn)出優(yōu)異的可恢復(fù)特性。相場模擬結(jié)果表明，彈簧在被拉伸和壓縮過程中軸向和剪切應(yīng)變共同作用產(chǎn)生晶格扭轉(zhuǎn)，且BaTiO3層伴隨有鐵電疇結(jié)構(gòu)的連續(xù)翻轉(zhuǎn)。此研究工作構(gòu)建了功能氧化物彈簧結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其具有巨大的可伸縮機(jī)械性能，揭示了鐵電疇結(jié)構(gòu)在彈簧伸縮過程中的演變規(guī)律，為開發(fā)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(dǎo)。

    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(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)材料》(Advanced Materials, IF=30.849)上發(fā)表，西安交通大學(xué)為該工作的第一通訊作者單位。電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院董國華助理教授、蘭州大學(xué)碩士生胡玥、北京理工大學(xué)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(tuán)隊在自支撐鐵性氧化物薄膜領(lǐng)域發(fā)表的又一重要成果。

自從2019年劉明教授團(tuán)隊首次報道自支撐鐵電氧化物薄膜“即柔又彈”的力學(xué)特性，團(tuán)隊一直致力于柔性功能氧化物方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。隨后在其他鐵電單晶薄膜中同樣發(fā)現(xiàn)類似的超彈性力學(xué)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(xiàn)鐵電褶皺薄膜結(jié)構(gòu)的可控制備，發(fā)現(xiàn)褶皺結(jié)構(gòu)可以誘導(dǎo)出周期性的壓電響應(yīng)；借助氧化物異質(zhì)結(jié)內(nèi)建的應(yīng)變梯度，制備出氧化物外延異質(zhì)結(jié)彈簧結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)氧化物微納彈簧結(jié)構(gòu)具有巨大的可伸縮機(jī)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(yīng)用到柔性電子器件，并為此打下堅實的理論和實驗基礎(chǔ)。這一系列工作分別發(fā)表于《科學(xué)》（Science）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials) 、《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）、《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials） 等期刊。

該工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、陜西省重點研發(fā)計劃、西安交大基本科研業(yè)務(wù)費及中國博士后科學(xué)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(shù)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