Advanced Materials:“刚柔并济”构建具有周期性褶皱结构的铁电单晶薄膜

微纳米尺度褶皱具有浸润性、光学透明性、摩擦和黏附等独特的表面性能,使其在可逆润湿、摩擦、黏附、光学等与表界面相关的智能器件领域具有广泛的应用前景。褶皱的形成主要利用硬质膜/弹性基体中薄膜与基体存在的热膨胀差异,当膜/基复合体系受到外界影响(如力、温度、溶剂等),可在表面形成压应力,当应力达到临界值后材料表面产生力学失稳而形成褶皱。基于褶皱的形成机理,薄膜层应具有较好的力学性能,目前褶皱薄膜层主要以高分子和金属材料为主。然而很少有功能氧化物薄膜被应用于褶皱结构中,这极大限制了微纳米尺度褶皱的应用范围。

西安交通大学电信学部电子科学与工程学院刘明教授课题组、材料学院丁向东教授课题组和闵泰教授课题组合作,利用自支撑BaTiO3单晶薄膜的“既柔又弹”的力学性质与弹性体PDMS相结合,首次成功构建了大面积的BaTiO3/PDMS褶皱结构。该研究在PDMS弹性体中,通过预加不同应力状态,可形成高度有序的条纹状、之字形和马赛克形等多种图案。同时,借助褶皱结构在BaTiO3单晶薄膜层中引入周期性应力,发现了在平行褶皱结构中BaTiO3单晶薄膜层的波峰和波谷处的压电响应有规律的增强现象。通过原子模拟计算和褶皱薄膜的微观极化表征,发现在BaTiO3单晶薄膜层在弯曲形成褶皱时,在波峰表面张应力区域形成面内极化,波谷表面形成面外极化,使BaTiO3单晶薄膜褶皱产生了周期性的压电响应变化。

该研究工作突破性的实现了大面积的铁电/压电氧化物褶皱薄膜的可控制备,揭示了褶皱特性对电极化和压电性能的影响,为开发基于铁电/压电薄膜的柔性电子器件提供了重要的理论和实验指导。相关论文发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202004477)上。

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,感谢西安交大分析测试共享中心长期提供的技术支持。