[论文解读] 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 2

一句话总结

本研究在自支撑、柔性的 BaTiO3 膜中展示了巨大的超弹性压电效应，其中外加电场可诱导可逆的、无褶皱的180°折叠-展开循环，其行为类似于寿司卷的卷曲过程。该效应由带电铁电畴重排驱动，在60 °C下30 nm厚的膜中位移超过4.6 µm，温度依赖的折叠行为证实了畴介导的机制。

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.

研究动机与目标

• 开发具有非传统机电响应的柔性、无基底压电材料，用于下一代微型器件。
• 克服传统压电材料仅表现出线性或双轴形变且应变受限于<3%的局限性。
• 探究铁电畴动力学在实现自由膜中大振幅、可逆机械驱动中的作用。
• 通过原位透射电镜（TEM）展示一种新颖、可控且可逆的机电驱动模式——类似卷寿司的折叠行为。

提出的方法

• 通过脉冲激光沉积在可溶性 La0.7Sr0.3MnO3牺牲层上制备自支撑单晶 BaTiO3 膜（30 nm厚），随后通过选择性蚀刻释放膜层。
• 使用含水的镍铬环将膜转移至无碳铜TEM网格，以在操作过程中保持其完整性。
• 采用原位透射电镜（TEM），通过调节C2透镜强度控制电子束剂量，施加可调电场并实时成像机械形变。
• 通过在荧光屏上测量束流强度完成电子束剂量校准，同时并行记录机械运动，以关联剂量与形变。
• 高分辨X射线衍射和电子衍射证实了BaTiO3膜的单晶四角形钙钛矿结构。
• 通过监测从室温至居里温度以上（~130 °C）的膜行为，研究了温度依赖的折叠动力学，揭示了畴介导的驱动机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 自支撑的 BaTiO3 膜是否能表现出超越传统压电形变模式的大振幅、可逆机械驱动？
• RQ2 在电场作用下观察到的180°折叠-展开行为的起源是什么？是否由铁电畴重排驱动？
• RQ3 温度如何影响折叠动力学？这揭示了何种底层机电机制？
• RQ4 通过改变施加电场，特别是超过矫顽场时，机电响应在多大程度上可调？
• RQ5 所观察到的效应是否可建模为畴介导的、无褶皱的折叠机制，而非传统应变？

主要发现

• BaTiO3 膜在外加电场下表现出可逆、可控的180°折叠-展开循环，其运动类似于卷寿司的动作。
• 在室温下测得位移超过3.8 µm，温度升至60 °C时增至4.6 µm（30 nm厚膜）。
• 在居里温度以上（~130 °C）时，膜停止折叠并变得静止，表明该效应由铁电极化畴驱动。
• 折叠行为具有可调性：当电场超过矫顽场值时，折叠曲率发生变化，增强了有效压电响应。
• 原位TEM成像证实折叠过程无褶皱，且由带电铁电畴动力学介导，而非机械屈曲或塑性变形。
• 所观察到的机电耦合归因于畴重排，其证据包括温度依赖性，以及释放后无结构损伤或形貌变化。