[論文レビュー] Giant Superelastic Electromechanical Response in Flexible Ferroelectric BaTiO$_3$ Membranes

Hemaprabha Elangovan, Maya Barzilay+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2020

Advanced Materials and Mechanics被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、自由な膜構造のBaTiO₃が、電場下で可逆的でしわのない180°の折りたたみ・展開サイクルを経て、電荷を帯びたフェロエレクトリックドメインによって駆動され、巨大な超弾性電機械的応答を示すことを実証した。60 °Cで4.6 μmを超える変位が達成され、従来の圧電行動とは顕著に異なる。

ABSTRACT

Mechanical displacement in commonly used piezoelectric materials is typically restricted to linear or biaxial in nature and to a few percent of the material dimensions. Here, we show that free-standing BaTiO$_3$ membranes exhibit non-conventional electromechanical coupling. Under an external electric field, these superelastic membranes undergo controllable and reversible 'sushi-rolling-like' 180$^\circ$ folding-unfolding cycles. This crease-free folding is mediated by charged ferroelectric domains, leading to a giant > 3.8 and 4.6 $\mu$m displacements for a 30-nm thick membrane at room temperature and 60$^\circ$C, respectively. Further increasing the electric field above the coercive value changes the fold curvature, hence augmenting the effective piezoresponse. Finally, it is found that the membranes fold with increasing temperature followed by complete immobility of the membrane above the Curie temperature, allowing us to model the ferroelectric-domain origin of the effect.

研究の動機と目的

• 線形または二軸ひずみを超える、非従来の電機械的結合を有する柔軟なフェロエレクトリック膜の挙動を調査すること。
• 電荷を帯びたフェロエレクトリックドメインが、大規模で可逆的な機械的変形を可能にする役割を理解すること。
• 折りたたみダイナミクスとCurie転移との関連性を明らかにし、温度依存の挙動を調査すること。
• 電機械的応答を定量的に評価し、高変位駆動応用の可能性を検討すること。

提案手法

• 機械的柔軟性と強い静電応答を実現するため、厚さ30 nmの自由膜構造のBaTiO₃膜を製造すること。
• 外部電場を印加してドメイン再配置を誘発し、しわを生じさせない180°の折りたたみ・展開サイクルを誘発すること。
• 変動する電場および温度下での変位とドメインダイナミクスをモニタリングするため、イン・スイット電気的および機械的測定を実施すること。
• Curie温度付近のフェロエレクトリック相転移と関連して、折りたたみ挙動を温度依存測定により相関させること。
• 臨界電場を超える電場下での曲率の関数としての折りたたみ曲率を分析し、有効な圧電応答の増幅を評価すること。
• 観察された温度依存の不動的挙動に基づき、フェロエレクトリックドメインの起源に起因する折りたたみメカニズムのモデル化を行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェロエレクトリックBaTiO₃膜は、従来の圧電的限界を超える非線形的で大変位の機械的変形を示すことができるか？
• RQ2 電場下で可逆的かつしわのない折りたたみを可能にする電荷を帯びたフェロエレクトリックドメインの役割は何か？
• RQ3 温度は膜の折りたたみダイナミクスおよび機械的安定性にどのように影響するか？
• RQ4 臨界電場を超える電場を上昇させることで、曲率調製を介して有効な圧電応答がどの程度向上するか？
• RQ5 観察された電機械的応答は、特にCurie温度付近でフェロエレクトリックドメイン構造に起因するものと特定できるか？

主な発見

• 自由膜構造のBaTiO₃膜は、印加電場下で室温で3.8 μmを超える巨大な電機械的変位を示した。
• 60 °Cで変位は4.6 μmに増加し、応答の強い温度依存性が示された。
• 膜は、電荷を帯びたフェロエレクトリックドメイン再配置によって駆動され、『すしロール』運動に類似した可逆的でしわのない180°の折りたたみ・展開サイクルを経験した。
• Curie温度を超えると、膜は移動性を失い折りたたみを停止し、この効果のフェロエレクトリック起源が確認された。
• 臨界電場を超える電場を上昇させることで、折りたたみの曲率が変化し、結果として有効な圧電応答が向上した。
• 観察された挙動は、材料の破壊を伴わずに大規模な機械的変形を媒介する、電荷を帯びたフェロエレクトリックドメインの集団的ダイナミクスに起因するとされた。