基于应力调控的尺寸效应提升电致应变性能

基于应力调控的尺寸效应提升电致应变性能

一、研究背景

电子集成技术的快速发展驱使着电子元件迈向小型化，也使得内部核心材料在尺寸上不断缩减。铁电材料作为一类重要的功能材料，其物理性质也具有“尺寸效应”。例如，研究者在薄膜中发现样品的矫顽电场随膜厚减小而降低、样品的热释电系数随膜厚减小呈指数级增加等。尽管尺寸效应展现出极大的应用潜力，但其在块体材料中却鲜有研究且产生机制尚不明确。

二、成果简介

对此，四川大学吴家刚教授团队近日在《Scripta Materialia》上发表了题为“Stress-controlled scaling behavior of BaTiO3-based ferroelectrics”的研究论文(https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115682)。该工作发现块体陶瓷中的尺寸效应对样品制备过程高度敏感，并通过研磨工艺和A/B位掺杂策略共同揭示了其影响机制。结合变温实验和结构分析，尺寸效应对样品应变性能的提升主要源于应力导致的非180°畴增加。该工作为理解和进一步调控块体铁电材料的尺寸效应提供了思路。研究结果也表明，样品制备过程应该成为应变标准化评估的考虑要素之一。论文第一作者为四川大学博士研究生魏晓薇，四川大学吴家刚教授和吕想副研究员为共同通讯作者。

三、图文介绍

图1：B位和A位取代钛酸钡基陶瓷在不同应力条件下的(a, b)室温应变和(c-f)极化表现

图2：B位和A位取代钛酸钡基陶瓷在不同应力条件下的电场依赖性. (a-d)变电场电滞回线；(e-h)铁电标度行为；(i-l)平均应变[(S + pos + S - pos)/2]和应变速率随电场的变化情况

图3：B位和A位取代钛酸钡基陶瓷在不同应力条件下的温度依赖性. (a, b)变温应变曲线；(c) B位取代钛酸钡基陶瓷正向和负向应变随温度的变化情况；(d) B位取代钛酸钡基陶瓷应变滞后随温度的变化情况

图4：应力调控的尺寸效应提升电致应变性能的机制示意图. (a) 样品减薄过程中的应力作用；(b) 应力作用下B位和A位取代钛酸钡基陶瓷的微观畴演变

四、作者简介

吴家刚，教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者，牛顿高级学者基金获得者，全国宝钢优秀教师，四川大学国际合作与交流处处长、材料科学与工程国家级实验教学示范中心副主任。2018-2022年入选Elsevier中国高被引学者，应邀担任ACS Applied Materials & Interfaces副主编和International Journal of Applied Ceramic Technology副主编，同时担任InfoMat、硅酸盐学报、工程科学与技术等杂志编委或青年编委。主要研究方向为高性能无铅压电铁电陶瓷及器件研制。作为第一作者或（共同）通讯作者已发表SCI收录论文200余篇，代表性期刊包括Chem. Rev.（2篇）、Prog. Mater. Sci.（3篇）、Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.（2篇）、J. Am. Chem. Soc.（4篇）、Adv. Mater.（2篇）、Energy Environ. Sci.等，被国内外同行在Science等SCI收录论文中他引10000余次，10篇文章入选ESI高被引论文，单篇最高SCI引用1000余次。受Springer Nature国际著名出版社邀请，独著出版全英文专著一本（Advances in Lead‐Free Piezoelectric Materials. New York: Springer; 2018）。

吕想，特聘副研究员，硕士生导师，本硕博（2011-2019年）就读于四川大学材料科学与工程学院，师从吴家刚、朱建国教授，博士期间前往德国达姆施塔特工业大学（TUD）、沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）交流学习，博士毕业后继续在KAUST进行两年（2019.09-2021.10）的博士后研究，自2021年11月作为四川大学引进人才入校工作。主要研究方向为高性能压电/铁电材料。至今以第一作者或通讯作者（含共同）发表SCI收录论文30余篇，包括Chem Soc Rev.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Acta Mater.等。

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论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2023.115682

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