清华大学校友、加州大学伯克利分校博士后，他新发Nature Materials！

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具有较大机电响应的薄膜材料是下一代微/纳机电应用的基础材料，然而传统机电材料（如铁电材料和弛豫器）在缩减至亚微米厚的薄膜时，由于基底限制（箝位），会表现出严重的响应衰减。

2024年5月23日，美国加州大学伯克利分校材料科学与工程系Lane W. Martin教授团队在Nature Materials期刊发表题为“Clamping enables enhanced electromechanical responses in antiferroelectric thin films”的研究论文，加州大学伯克利分校博士后潘豪、麻省理工学院博士后朱孟林、劳伦斯伯克利国家实验室Ella Banyas为论文共同第一作者，Lane W. Martin教授为论文通讯作者。

潘豪，加州大学伯克利分校博士后，专注于电介质/铁电体/功能陶瓷/复合氧化物膜/脉冲激光沉积等研究；2020年博士毕业于清华大学材料学院，导师：林元华教授，期间荣获清华大学研究生特等奖学金；2020-2021年于新加坡南洋理工大学开展研究工作；2021年10月至今于加州大学伯克利分校材料科学与工程系从事博士后研究。

该研究证明，反铁电薄膜克服了这一尺寸限制，通过场诱导的反铁电到铁电相变与基底约束的非常规耦合，实现了巨大的机电响应。结合宏观电学表征、原位电镜手段和第一性原理计算模拟，揭示了基底箝位对反铁电薄膜机电响应的反常增强和由此引起的反常尺寸效应，在仅100nm厚度的反铁电PbZrO3薄膜中实现了1.7%的机电应变，为开发高性能微/纳机电系统提供了新的材料和思路。

https://www.nature.com/articles/s41563-024-01907-y

该研究结合外延薄膜生长、电学和机电测量、原位场依赖性扫描透射电子显微镜（STEM）和第一原理计算模拟，研究了电场诱导的反铁电到铁电相变，并揭示了相变与基底约束的非常规耦合，表现为巨大的机电响应。以反铁电体模型PbZrO3为重点，发现氧八面体的旋转消失与场诱导的从反铁电体（正交，Pbam）到铁电体（菱方，R3m）的相变同步发生，导致晶格体积突然膨胀。这种膨胀应该发生在各个方向，但基底限制了面内膨胀，而将体积膨胀集中在面外方向，从而增强了机电响应（而不像（弛豫）铁电那样降低机电响应），并导致异常的厚度缩放。因此，通过控制取向和厚度，充分利用相变和基底限制，在厚度仅为100nm的PbZrO3薄膜中实现了高机电应变（约1.7%）。这些响应在宽频率范围（从0.2kHz~100 kHz）内保持稳定，并且在108次循环中仅表现出轻微的疲劳。这类高性能薄膜材料和新机制的发现，有望为解决传统电致应变材料在薄膜形态下性能退化问题提供新思路，为促进高性能、低能耗的微纳机电系统开发提供新的途径。

图1:典型（弛豫）铁电薄膜和反铁电薄膜的机电响应

图2. 取向工程PbZrO3反铁电薄膜中增强的机电响应

图3. （004）O取向PbZrO3薄膜中相变和结构演变的原位STEM研究

图4. 反铁电PbZrO3薄膜中机电响应增强和异常厚度缩放的机理

总之，该研究强调了反铁电薄膜作为机电材料候选材料的潜力，它可以克服传统（驰豫）铁电材料随着厚度减小而出现的性能下降问题。还深入探讨了反铁电到铁电相变过程中的原子结构演变及其与基底箝位在单胞尺度上的耦合，这将协同增强反铁电薄膜的机电响应。由此产生的机电响应的异常厚度依赖性以及在100nm厚的取向工程PbZrO3薄膜中实现的大应变值（约1.7%）（具有强大的频率稳定性和抗疲劳性），为解决一般缩放障碍和开发纳米尺度的高性能机电材料提供了一条前景广阔的途径。预计通过进一步控制成分、取向和微结构，可以提高反铁电薄膜的击穿强度并降低相变场，从而进一步促进其在集成微/纳米机电系统中的应用，使其具有更高的可靠性和更低的能耗。

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