应力对你有好处:在压力下增强压电性能

• 创新外延技术开创了广受欢迎的多铁新时代BiFeO_3.

应力增强了一种有前途的材料的性能，用于未来的技术。

新南威尔士大学的研究人员发现了最有前途的多铁材料之一的一种新的奇异状态，对使用这些增强性能的未来技术具有令人兴奋的意义。

结合薄膜应变、变形和厚度的仔细平衡，该团队在已知的少数室温多铁材料之一中稳定了一种新的中间相。

美国-澳大利亚的理论和实验研究表明，这种新相的机电性能是通常值的两倍以上，我们甚至可以使用电场在这种中间相之间轻松转换为其他相。

该结果不仅为所有从事多铁性和外延研究的国际材料科学家提供了一种有价值的新技术，而且最终阐明了如何使用外延技术来增强材料的功能响应，以便在下一代器件中应用。

压力改变一切

如果说2020-21年教会了我们什么，那就是压力会改变一切。如果生活中有足够的压力，即使是最“在一起”的人也会挣扎和改变。

同样的道理也适用于晶体。当我们对晶体施加压力时，它们会变得紧张，并会极大地改变它们的结构和物理性质。我们在日常技术中利用这一点，利用外部刺激随意弯曲材料性能。

当我们对一种材料施加张力时，我们通常是沿着(至少)一个轴挤在一起或拉开，创造抗压和抗拉压力。

当我们在衬底上拉伸薄膜时，薄膜的组成部分会变形，以匹配邻近衬底的组成部分的大小。

如果衬底的结构单元大于薄膜(蓝色方框)的结构单元，薄膜(白色轮廓)将水平拉伸(即“拉伸应变”)并垂直压缩以适应。

另一方面，较小的衬底结构单元(绿色正方形)将导致薄膜结构水平压缩(“压应变”)和垂直拉伸。

“在我们的研究中，我们进行了应用各向异性拉紧胶片。这意味着所施加的应变取决于你所观察的方向，这可以产生复杂的应变状态，迫使薄膜进入新的阶段，”第一作者奥利弗·保罗(新南威尔士大学)说。

它是磁电的，它是压电的，它是光电的，它是润滑的闪电!

BiFeO_3.(或BFO)拥有令人印象深刻的多功能特性，包括压电性、铁电性、磁性和光学特性。

BFO可以说是最受欢迎的磁电为研究人员提供的材料(即，一种同时具有磁和电的顺序，可以相互影响的材料)。

磁电材料在自旋电子学和存储应用中非常有趣，因为磁性和铁电之间的耦合有望实现低能量技术。(用电场写数据比用磁场写数据效率高得多。)

BFO不仅具有磁电特性，而且是极少数具有磁电特性的材料之一室温这使得它可以在未来的低能耗电子产品等应用中使用，而不需要能源密集型的低温冷却。

只有极少数多铁性材料(即具有磁性和电性的材料)在室温下表现出这些有用的特性。

除此之外，BFO还有其他功能特性:压电，铁电性，光伏效应，和更多!

它也是无铅的，这使它与大多数高性能压电材料相比具有明显的优势，不幸的是，这些材料含有有毒的铅。

压电材料可以将机械压力转化为电能，作为超高灵敏度传感器在智能手机运动传感器和起搏器等设备中有着广泛的应用(显然避免有毒材料是一个优势……)

通过使用高度错切的基板，研究团队将BFO推入了一个新相，本质上是著名的菱面体相和四方相之间的联系。

这一点，再加上与相位对称性相关的特性，使得它很容易受到电场的影响。

“我们查阅了文献，发现每个人都使用相当标准的商业基板方向，”首席研究员丹尼尔·桑多说。“我们要求供应商在标准方向之间定制不同的误切方向，这导致了新阶段的发现。我们问自己，人们以前没有这样做的原因是否是因为这些错切所涉及的晶体学相当复杂，可能令人生畏!”

橡树岭国家实验室、阿肯色大学和莫纳什大学的研究人员进行了国际合作，使用理论计算和一系列实验技术，表明这种新相比传统BFO具有更高的机电响应。

“我们还提供了强有力的证据，证明这种低对称性相可以通过电场转化为高对称性相，从而增强机电响应进一步是原来的3倍，”奥利弗·保罗说。

多用途工具:将该方法应用于广泛的氧化物材料

这一发现最吸引人的方面之一是它的一般方法论和对广泛的材料系统的适用性。

“我们选择专注于BiFeO_3.由于其铁电性、磁性和压电性，但这种方法很容易应用于其他钙钛矿氧化物，”奥利弗·保罗说。

“我们目前正在探索这些高折射率衬底对纯铁电或磁性系统的影响，但使用这项技术的范围是巨大的。“我们希望找到光学上有趣的材料的低对称相，以及铁电体中新颖的畴排列，”该项目的理论负责人Laurent Bellaiche说。

“如果你正在研究外延，那么这种各向异性技术可能会对你的研究非常有成效，”丹尼尔·桑多说。

“这项研究只是个开始。我们计划将这种各向异性外延方法结合到氧化物超晶格中(重复不同成分的层，即A-B-A-B等)，以及将低对称性晶体结构与其他已建立的方法结合起来，以改善压电响应，例如，包括用稀土元素替代。最后，由于BFO是多铁性的，我们计划对这种新的低对称性相进行大量的磁性研究。”新南威尔士大学实验室负责人纳吉·瓦拉诺尔说。

甚至还有更广泛的应用:用于传感器和执行器的压电材料通常是大块形式的铅基化合物。虽然新方法是小众的，而且非常以研究为导向，但在纳米执行器或传感器等行业，新方法可能有应用空间。关键方面是使用各向异性外延方法1)生成低对称相位，2)促进响应增强;在这种情况下，压电系数。

这项研究

”具有增强机电响应的低对称铁电的各向异性外延稳定，于自然材料2021年9月。(DOI: 10.1038 / s41563 - 021 - 01098 w)全接入链路(施普林格自然内容共享倡议)。

这项研究是一个大型的国际合作新南威尔士大学(电影制作及角色塑造)，以及阿肯色大学(密度泛函理论和有效哈密顿计算)，橡树岭国家实验室(先进的扫描探针显微镜技术)，以及莫纳什大学/先进分子成像卓越中心(扫描透射电子显微镜)。

以及支持澳大利亚研究理事会(卓越和发现中心项目)的工作由澳大利亚政府(研究培训项目奖学金)资助澳大利亚核科学与工程研究所（研究生研究奖,SAAFE)， DARPA (TEE计划)和Vannevar Bush教师奖学金(VBFF).在莫纳什电子显微镜中心(MCEM)由澳大利亚研究理事会(LIEF)和压电响应光谱测量得到了美国能源部(DOE)并在橡树岭国家实验室纳米材料科学中心．感谢来自国家自然科学基金江苏省自然科学基金。作者感谢C. Paillard进行了富有成效的讨论并分享了他的脚本，并感谢L. Collins在IDS测量方面提供的帮助。

**图片来自自然材料DOI: 10.1038 / s41563 - 021 - 01098 - w

更多的信息

• 联系Daniel Sando博士(新南威尔士大学，悉尼)daniel.sando@unsw.edu.au
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