近年来，随着柔性电子技术和产业的迅速发展，柔性功能氧化物由于其各种丰富的功能特性成为柔性电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过两种方式来实现：直接在柔性衬底上生长，例如耐高温的柔性云母片及有机聚酰亚胺膜等；此外，通过物理/化学刻蚀等技术使功能氧化物薄膜从刚性衬底剥离，实现自支撑状态或者转移至柔性衬底。功能氧化物本征的力学行为由于结构稳定性、晶体缺陷密度等因素，往往表现出脆性特征，但在特殊材料体系中却能表现出优异的机械性能。例如在自支撑铁电单晶氧化物薄膜中发现超弹、超柔性力学特性(Science 2019, 366, 475-479)。柔性功能氧化物薄膜在受到单轴或双轴拉伸以及弯曲等力学加载时，其最大应变约为10%。在柔性电子器件中，少量的形变(<10%)以及只能弯曲的力学特征是不够的，同时具备可弯曲、可拉伸和可扭曲的机械性能对氧化物材料来说，仍然是当前面临的巨大挑战。特殊的机械结构和布局，是实现可拉伸电子设备的关键。
La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3弹簧结构的制备、可拉伸特性及极化演变
近日，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院刘明教授团队、兰州大学彭勇教授团队及北京理工大学黄厚兵研究员团队合作，构建出氧化物外延异质结弹簧结构，并发现该氧化物微纳弹簧结构具有巨大的可伸缩机械性能。
该工作通过水溶性牺牲层技术实现了La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3异质结的剥离，在剥离过程中异质结沿着[110]方向发生解理，从而使异质结薄膜形成纳米带结构，自支撑纳米带在晶格应变作用下自发形成弹簧结构。在原位力学实验中发现La0.7Sr0.3MnO3/BaTiO3微纳弹簧可以承受巨大的压缩和拉伸形变，同时表现出优异的可恢复特性。相场模拟结果表明，弹簧在被拉伸和压缩过程中轴向和剪切应变共同作用产生晶格扭转，且BaTiO3层伴随有铁电畴结构的连续翻转。此研究工作构建了功能氧化物弹簧结构，发现其具有巨大的可伸缩机械性能，揭示了铁电畴结构在弹簧伸缩过程中的演变规律，为开发基于铁电/压电和磁性氧化物的可拉伸柔性电子器件提供了重要的理论和实验指导。
以上研究成果以《超伸缩性的自助装外延铁电氧化物纳米弹簧》（Self-assembled Epitaxial Ferroelectric Oxide Nano-spring with Super-scalability）为题在国际著名学术期刊《先进材料》(Advanced Materials, IF=30.849)上发表，西安交通大学为该工作的第一通讯作者单位。电信学部电子科学与工程学院董国华助理教授、兰州大学硕士生胡玥、北京理工大学博士生郭常青为共同第一作者。刘明教授、周子尧教授、彭勇教授及黄厚兵研究员为共同通讯作者。该工作是刘明教授团队在自支撑铁性氧化物薄膜领域发表的又一重要成果。
自从2019年刘明教授团队首次报道自支撑铁电氧化物薄膜“即柔又弹”的力学特性，团队一直致力于柔性功能氧化物方面的应用基础研究。随后在其他铁电单晶薄膜中同样发现类似的超弹性力学行为，证实了超弹特性在铁电薄膜中普遍存在；利用铁电单晶薄膜超弹、超柔特性，成功实现铁电褶皱薄膜结构的可控制备，发现褶皱结构可以诱导出周期性的压电响应；借助氧化物异质结内建的应变梯度，制备出氧化物外延异质结弹簧结构，发现氧化物微纳弹簧结构具有巨大的可伸缩机械性能。这些研究工作推动了铁性氧化物作为核心功能材料应用到柔性电子器件，并为此打下坚实的理论和实验基础。这一系列工作分别发表于《科学》（Science）、《先进材料》（Advanced Materials) 、《科学进展》（Science Advances）、《先进功能材料》（Advanced Functional Materials） 等期刊。
该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、西安交大基本科研业务费及中国博士后科学基金等项目的资助，同时感谢分析测试共享中心长期提供的技术支持。
来源：西安交通大学
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