刘明课题组：柔性自支撑铁性薄膜领域取得新进展

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随着柔性电子技术的飞速发展，迫切需要集成更多的功能材料，尤其是无机非金属材料，以实现极为丰富的功能。钙钛矿结构铁性材料是一类具有介电、铁电、压电和磁电特性的多功能材料，在传感、驱动、储能、信息存储与信息处理等领域具有广泛应用。然而，由于存在晶界、晶格缺陷，以及氧化物离子/共价键自身较差的延展性，传统铁性材料通常表现出硬和脆的特征，抗弯曲应变一般小于1%，难以与柔性聚合物材料兼容。因此，如何在铁性薄膜中实现可与柔性聚合物相媲美的超弹性和超柔性，这是其应用于柔性电子材料与器件时亟待解决的问题。

图A为外延异质结中“牺牲层/BiFeO3”界面的TEM图；图B为转移在柔性衬底上的自支撑BiFeO3薄膜的光学照片；图C为转移在铜网上自然折叠的自支撑BiFeO3薄膜的TEM照片；图D为转移在镀铂硅片上的自支撑BiFeO3薄膜的PFM面外相位图；图E为原位SEM弯曲过程；图F-G为弯曲前后的铁电极化与物相结构的转变图及其分布。
       针对这一问题，西安交通大学刘明教授团队深入研究了自支撑铁性单晶薄膜的力学特性，在前期研究基础上（Science 366(6464): 475-479(2019)），进一步以多铁性材料BiFeO3为研究对象，取得了重要进展。首先，采用水溶性牺牲层法制备了自支撑的BiFeO3单晶薄膜，它可大面积转移至任意材料表面，无论是宏观还是微观尺度均展示出良好的柔性，并且在转移前后保持良好的单晶特性。其次，通过纳米机械臂对其进行原位SEM弯曲实验，发现BiFeO3薄膜能够实现接近180°的折叠，其承受的最大弯曲应变>5%，撤去外力后BiFeO3薄膜能够大幅回弹，展现出超弹性行为，并且反复弯曲多次而不破坏。进一步通过相场模拟发现，自支撑BiFeO3薄膜的这种超弹性与超柔性可能源自晶胞在菱方相和四方相之间的可逆相变，通过相变有效降低了能量势垒，避免大应变导致的断裂破坏。由于应力/应变诱导的相变在钙钛矿结构铁性材料中普遍存在，因此本研究提出了一种新的机制，可以预期在更多的钙钛矿铁性材料中也将存在类似的超弹性与超柔性。
       该研究成果以“Phase transition enhanced superior elasticity in freestanding single-crystalline multiferroic BiFeO3membranes”为题，近日在国际著名期刊 Science Advances （IF=13.116）上在线发表。西安交通大学电信学部彭斌副教授、彭仁赐讲师、材料学院张永强博士和电信学部董国华助理教授为共同第一作者，刘明教授、周子尧教授和材料学院李桃教授为通讯作者，西安交通大学为本文第一作者和唯一通讯作者单位。本文的合作者包括西安交通大学任巍教授、单智伟教授、闵泰教授，中科大罗震林副教授，加拿大西蒙菲莎大学叶作光教授，美国宾夕法尼亚州立大学陈龙庆教授等。该工作是刘明教授课题组继Science报道之后，在超柔超弹自支撑铁性薄膜领域发表的又一研究成果。
       该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省重点研发计划和中国博士后科学基金等项目的资助，特别感谢贾春林科学家工作室提供的微结构分析平台，感谢分析测试共享中心长期提供的技术支持。
       刘明教授团队主页：http://mliu.xjtu.edu.cn/
       论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/34/eaba5847


      文章来源：西安交通大学
      刘明，西安交通大学教授，博士生导师。2011年7月博士毕业于大连理工大学物理与信息工程学院。博士毕业后即来到西安交通大学电信学院工作，一直从事功能氧化物外延薄膜与器件方面的相关研究，尤其是在钙钛矿结构铁性薄膜与尖晶石铁氧体薄膜的结构设计、制备与物性调控方面。近年来，主持和参与多项国家自然科学基金与973项目；在Adv. Mater., Adv. Funt. Mater., Phys. Rev. Lett.等期刊发表SCI论文86篇，其中4篇文章分别被Adv. Funt. Mater.,Mater. Horiz.,J. Mater. Chem. C和CrystEngComm选做封面发表，1篇文章被Adv. Mater.选作视频摘要进行重点推介。