[論文レビュー] Giant Superelastic Piezoelectricity 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 2

ひとこと要約

本研究では、自由膜状で柔軟性を持つBaTiO3膜において、巨大な超弾性圧電効果を実証した。外部電場により、寿司巻きに類似した可逆的でしわのない180°の折りたたみ・展開が生じる。この効果は、帯電し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、30 nmの膜厚で60 °Cで4.6 µmを超える変位を達成した。温度依存性の折りたたみ行動は、ドメイン媒介メカニズムを確認するものである。

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

• 次世代マイクロデバイス向けに、非従来的で電機械的応答を示す、柔軟で基板フリーの圧電材料を開発すること。
• 従来の圧電体では線形または二軸ひずみに限定され、3 %未満のひずみに制限されるという限界を克服すること。
• 自由膜におけるフェロエレクトリックドメインダイナミクスが、大振幅で可逆的な機械的作動を可能にする役割を解明すること。
• in situ TEMを用いて、新規で制御可能かつ可逆的な電機械的作動モード（まきずし様の折りたたみ）を実証すること。

提案手法

• 30 nmの膜厚の自由膜状単結晶BaTiO3膜は、水溶性のLa0.7Sr0.3MnO3犠牲層上にパルスレーザー堆積法を用いて作製し、選択的エッチングによって膜を分離した。
• 膜の完全性を保持するために、水を含んだニクロムリングを用いて、カーボンフリー銅TEMグリッドに膜を移設した。
• 制御可能な電子ビーム線量（C2レンズ強度による調整）を用いたin situ透過電子顕微鏡（TEM）を実施し、電場を印加しながらリアルタイムでの機械的変形を観察した。
• 電子線線量のキャリブレーションは、蛍光スクリーンへのビーム強度測定により実施し、同時に変形を記録することで、線量と変形の相関関係を確立した。
• 高分解能X線回折および電子回折により、BaTiO3膜の単結晶テトラゴナルペロブスカイト構造が確認された。
• 室温からCurie温度（約130 °C）を超える範囲で膜の挙動をモニタリングすることで、温度依存の折りたたみダイナミクスを調査し、ドメイン媒介作動を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由膜状BaTiO3膜は、従来の圧電変形モードを超えて、大振幅で可逆的な機械的作動を示すことができるか？
• RQ2 電場下で観察された180°折りたたみ・展開挙動の起源は何か。これは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ているか？
• RQ3 温度が折りたたみダイナミクスに与える影響は何か。これにより、背後にある電機械的メカニズムはどのようなものか？
• RQ4 特に臨界電場を超える領域で、印加電場を変化させることで、電機械的応答をどの程度制御できるか？
• RQ5 観察された効果は、従来のひずみとは異なり、ドメイン媒介でしわのない折りたたみメカニズムとしてモデル化できるか？

主な発見

• BaTiO3膜は、印加電場によって可逆的かつ制御可能な180°の折りたたみ・展開サイクルを示し、寿司巻きの運動に類似している。
• 室温で3.8 µmを超える変位が測定され、60 °Cで30 nmの膜厚で4.6 µmにまで増加した。
• Curie温度（約130 °C）を超えると、膜はもはや折りたたまず、動かなくなるため、この効果はフェロエレクトリック分極ドメインによって駆動されていることが示された。
• 折りたたみ挙動は調整可能である。臨界電場を超える電場を増加させると、折りたたみの曲率が変化し、有効な圧電応答が向上した。
• in situ TEM像により、折りたたみはしわがなく、機械的バクイングや塑性変形ではなく、帯電したフェロエレクトリックドメインダイナミクスによって媒介されていることが確認された。
• 観察された電機械的結合は、ドメイン再配置に起因するとされ、温度依存性および膜解放後の構造的損傷や表面形態の変化が認められないことから裏付けられた。