[논문 리뷰] Giant Superelastic Piezoelectricity in Flexible Ferroelectric $BaTiO_3$ Membranes

Hemaprabha Elangovan, Maya Barzilay외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 13.

Advanced Materials and Mechanics인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 자유립체이며 유연한 BaTiO3 막에서 거대한 초탄성 압전성을 입증한다. 여기서 외부 전계가 가해지면, 스시 데기처럼 찢어지지 않는 180° 접기-펼침 주기적 변형이 발생한다. 이 효과는 전하를 띤 피roelectric 도메인 재구성에 의해 유도되며, 60 °C에서 두께 30-nm인 막에서 4.6 µm를 초월하는 변위를 달성한다. 온도에 따라 변화하는 접기 행동은 도메인 매개 메커니즘을 확인한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 차세대 마이크로소자를 위한 비전통적인 전기기계적 반응을 갖는 자유립체, 기초재가 없는 압전 재료를 개발하기 위해.
• 기존 압전체는 선형 또는 이축 변형만을 보이며, 3% 이하의 변형에 국한되므로, 이러한 제약을 극복하기 위해.
• 자유립체 막에서 큰 진폭의 가역적 기계적 액추에이션을 가능하게 하는 피로전기 도메인 역학의 역할을 탐색하기 위해.
• 현장 내 투과전자현미경(in situ TEM)을 이용해 새로운 제어 가능하고 가역적인 전기기계적 액추에이션 모드—마키스처럼 접히는 방식—을 시연하기 위해.

제안 방법

• 수용성 La0.7Sr0.3MnO3 임시 기반층 위에 펄스 레이저 증착을 통해 자유립체 단일결정 BaTiO3 막(30 nm 두께)을 제작한 후, 선택적 에칭을 통해 막을 분리하였다.
• 정밀한 취급을 위해 수분 함유 니크로미 루프를 사용하여 막을 탄소가 없는 구리 TEM 격자로 이송하였다.
• 제어 가능한 전자빔 복사량(제어용 C2 렌즈 강도 조절을 통해)을 적용하고 실시간 기계적 변형을 영상 촬영하기 위해 현장 내 투과전자현미경(TEM)을 사용하였다.
• 전자빔 복사량 校정은 형광 스크린에 빔 강도를 측정하여 수행되었으며, 복사량과 변형 간의 상관관계를 확보하기 위해 동시에 기계적 운동을 기록하였다.
• 고해상도 X선 회절 및 전자 회절을 통해 BaTiO3 막의 단일결정 테트라고날 퍼보스카이트 구조를 확인하였다.
• 실온에서 Curie 온도(~130 °C) 이상까지 막의 거동을 모니터링하여 온도 의존적인 접기 역학을 연구하였으며, 도메인 매개 메커니즘을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자유립체 BaTiO3 막이 기존의 압전 변형 방식을 초월해 큰 진폭의 가역적 기계적 액추에이션을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 전기장 하에서 관찰된 180° 접기-펼침 행동의 근본 원인은 무엇이며, 피로전기 도메인 재구성에 의해 유도되는가?
• RQ3 온도는 접기 역학에 어떤 영향을 미치며, 이는 기저의 전기기계 메커니즘에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ4 특히 코ercitive 필드를 초월하여 전압을 변화시킬 경우, 전기기계 반응은 어느 정도 조절 가능한가?
• RQ5 관찰된 효과가 전통적인 변형이 아닌 도메인 매개, 찢어지지 않는 접기 메커니즘으로 모델링될 수 있는가?

주요 결과

• BaTiO3 막은 전기장 작용 하에서 가역적이고 제어 가능한 180° 접기-펼침 주기적 변형을 보이며, 스시 데기처럼 움직인다.
• 실온에서 측정된 변위는 3.8 µm를 초과하였고, 60 °C에서 두께 30-nm 막에서는 4.6 µm에 이를 정도로 증가하였다.
• Curie 온도(~130 °C) 이상에서 막은 더 이상 접히지 않고 정지하게 되어, 이 효과가 피로전기 극성 도메인에 의해 유도된다는 것을 나타낸다.
• 접기 행동은 조절 가능하다: 코ercitive 값 이상의 전기장을 증가시키면 접기 곡률이 변화하며, 이는 효과적인 압전 반응을 향상시킨다.
• 현장 내 TEM 영상은 접기가 찢어지지 않은 상태이며, 기계적 버팀개나 비가역적 변형이 아닌 전하를 지닌 피로전기 도메인 동역학에 의해 매개된다는 것을 확인하였다.
• 관찰된 전기기계 결합은 도메인 재구성에 기인하며, 이는 온도 의존성과 해리 후 구조적 손상 또는 표면형상 변화가 없음을 통해 뒷받침된다.