2024-06-30 11:30 来源：本站编辑
莱斯大学和加州大学伯克利分校的研究人员发现，与传统的压电材料相比，反铁电体，特别是锆酸铅，在小型化时表现出明显更高的机电响应。这一突破可能会导致更高效、更强大的小型化电子设备的发展。
点燃燃气烤架，获得超声波，使用超声波牙刷-这些行动涉及到可以将电压转化为形状变化的材料的使用，反之亦然。
这种在机械应力和电荷之间转换的能力被称为压电性，可以广泛应用于电容器、致动器、换能器以及下一代电子产品的加速度计和陀螺仪等传感器。然而，将这些材料集成到小型化系统中是困难的，因为机电活性材料倾向于在亚微米尺度上，当厚度只有百万分之几英寸时，被它们所附着的材料“夹住”，这大大降低了它们的性能。
莱斯大学的研究人员和加州大学伯克利分校的合作者发现，一类被称为反铁电体的机电活性材料可能是克服小型化机电系统中由于夹紧而导致的性能限制的关键。发表在《自然材料》杂志上的一项新研究报告称，一种模型反铁电系统，锆酸铅(PbZrO3)，即使在只有100纳米(或百万分之一英寸)厚的薄膜中，也能产生比传统压电材料高5倍的机电响应。
传统机电材料与反铁电材料的性能比较。图片来源:图由潘浩提供
“我们已经使用压电材料几十年了，”莱斯大学材料科学家莱恩·马丁说，他是这项研究的通讯作者。“最近有一个强烈的动机，进一步将这些材料集成到非常小的新型设备中，就像你想要做的那样，说，一个微芯片进入你的手机或电脑。问题是，这些材料在这些小尺度上通常不太可用。”
根据目前的行业标准，如果一种材料在电场的作用下，形状-或应变-能发生1%的变化，就被认为具有非常好的机电性能。例如，对于一个长度为100英寸的物体，长或短1英寸代表1%的应变。
“从材料科学的角度来看，这是一个重要的反应，因为大多数硬材料只能改变百分之一的一小部分，”罗伯特·a·韦尔奇教授、材料科学和纳米工程教授、莱斯先进材料研究所所长马丁说。
当传统的压电材料缩小到小于1微米(1000纳米)尺寸的系统时，由于衬底的干扰，它们的性能通常会显著恶化，这会抑制它们响应电场改变形状的能力，或者相反，响应形状变化产生电压的能力。
莱恩·马丁是莱斯大学罗伯特·韦尔奇教授，材料科学和纳米工程教授，莱斯先进材料研究所所长。图片来源:Jeff Fitlow/Rice University
根据Martin的说法，如果机电性能被评为1-10级，其中1是最低性能，10是1%应变的行业标准，那么夹紧通常会将传统压电的机电响应从10降低到1-4范围。
“为了了解夹紧如何影响运动，第一张照片是在飞机上的中间座位，没有人在你的任何一边，你可以自由地调整你的位置，如果你感到不舒服，过热等，”马丁说。现在想象一下同样的场景，只不过现在你坐在赖斯橄榄球队的两个高大的进攻锋之间。你会被夹在它们之间，以至于你真的无法根据刺激来有意义地调整你的位置。”
研究人员想了解反铁电体的非常薄的薄膜-一类材料-由于缺乏对材料的“模型”版本及其复杂的结构和性质的访问，直到最近还没有得到充分的研究-由于对电压的响应而改变了它们的形状，以及它们是否同样容易夹紧。
首先，他们生长了模型反铁电材料pbzro3的薄膜，并非常仔细地控制了材料的厚度、质量和取向。接下来，他们进行了一系列电气和机电测量，以量化薄膜对外加电压的响应。
“我们发现反铁电材料薄膜的响应比在类似几何形状的传统材料中实现的响应要大得多，”马丁研究小组的博士后研究员、该研究的主要作者潘浩说。
在如此小的尺度上测量形状变化并不是一件容易的事。事实上，优化测量设置需要大量的劳动，研究人员在单独的出版物中记录了这一过程。
“有了完善的测量装置，我们可以得到两皮米的分辨率，那大约是纳米的千分之一，”潘说。“但仅仅表明形状发生了变化并不意味着我们理解了发生了什么，所以我们必须解释它。”这是揭示这种高性能背后机制的首批研究之一。”
在麻省理工学院合作者的支持下，研究人员使用了最先进的透射电子显微镜，以原子分辨率实时观察纳米级材料的变形。
“换句话说，我们观察了机电驱动的过程，所以我们可以看到大形状变化的机制，”马丁说。“我们发现，在材料的晶体结构中存在电压引起的变化，这就像构建材料的基本建筑单元或单一类型的乐高积木。在这种情况下，乐高积木在施加电压的情况下被可逆拉伸，给我们一个很大的机电响应。”
令人惊讶的是，研究人员发现夹紧不仅不会影响材料的性能，实际上还会提高材料的性能。与劳伦斯伯克利国家实验室和达特茅斯学院的合作者一起，他们通过计算重新制作了这种材料，以获得另一种观点，即在外加电压下夹紧如何影响驱动。
马丁说:“我们的研究结果是多年来研究相关材料的成果，包括开发探测它们的新技术。”“通过弄清楚如何使这些薄材料更好地工作，我们希望能够开发更小，更强大的机电设备或微机电系统(MEMS) -甚至纳米机电系统(NEMS) -，它们使用更少的能量，可以做我们以前从未想过的事情。”
参考文献:“锁紧能增强反铁电薄膜中的机械响应”，作者:潘浩、朱梦林、Ella Banyas、Louis Alaerts、Megha Acharya、张洪瑞、Jiyeob Kim、陈贤哲、黄晓西、Michael Xu、Isaac Harris、Zishen Tian、Francesco Ricci、Brendan Hanrahan、Jonathan E. Spanier、Geoffroy Hautier、James M. LeBeau、Jeffrey B. Neaton和Lane W. Martin, 2024年5月23日，Nature Materials。DOI: 10.1038 / s41563 - 024 - 01907 - y
该研究得到了美国能源部(DE-AC02-05-CH11231, DE-SC-0012375)，陆军/ARL (W911NF-19-2-0119)，陆军研究办公室(W911NF-21-1-0118, W911NF-21-1-0126)， SRC-JUMP ASCENT中心，国防部(FA9550-18-1-0480)，国家科学基金会(1752814)和国家能源研究科学计算中心的支持。本新闻稿的内容完全由作者负责，并不一定代表资助机构的官方观点。
