10 千帕力就能切换铁电极化，咋做到的？

朋友们，今天一起来了解“利用摩擦电效应实现铁电极化的超低压机械运动切换”。简单来说，就是找到一种新方法，用很小的力就能控制铁电材料的极化状态，这在很多领域都大有用处。

*本文只做阅读笔记分享*

一、铁电极化的机械切换研究背景

一直以来，机械力为控制铁电材料特性提供了新方向。以前常用压电响应力显微镜的探针，给铁电晶体施加局部机械力，引发挠曲电场来改变铁电极化方向。这种方法虽然展示了机械调控的潜力，但实际应用时遇到了难题，它需要在纳米尺度施加巨大的机械力，这严重限制了相关器件的发展。所以，寻找能在触觉压力范围实现极化反转的新方法，成了科研人员的重要目标。

二、基于摩擦电效应的新方法原理

这次研究的创新点，就是用摩擦电效应来实现铁电极化的机械切换。当两种不同的摩擦电材料接触、分离时，会产生电荷转移和静电感应，进而产生电压脉冲，这些脉冲能触发铁电材料的电阻切换，实现极化反转。

从能量角度看，摩擦电过程中材料间电荷转移释放的能量，要是比铁电材料极化反转所需的能量大，极化就能顺利切换。而且，摩擦电产生的电场强度远超常见铁电材料的矫顽场，为实现低压力下的极化切换提供了可能。

三、实验验证与器件性能表征

3.1 机械切换铁电极化的实验

研究人员搭建了实验装置，用滑动摩擦电装置把机械刺激转化为电压。摩擦电单元选了聚四氟乙烯和铜作为材料，搭配α-In₂Se₃铁电忆阻器，监测极化切换和电阻变化。实验发现，摩擦电单元产生的电压，会随着机械应力增加，而且改变连接方式就能改变电压极性。通过电阻变化能看出，机械滑动能实现铁电极化的可逆切换，原子力显微镜扫描也直观证实了这一点。

3.2 神经形态应力器件的构建

基于摩擦电调控铁电极化的原理，研究人员尝试制作神经形态应力忆阻器。他们用按压式摩擦电单元感知应力信号，和α-In₂Se₃忆阻器配合，模拟生物的机械感受器和神经元处理功能。实验表明，不同压力会让忆阻器产生不同电阻状态，这些状态能持久保持，模拟了大脑的记忆功能。而且，该器件还能模拟人工突触的长时程增强和抑制特性，用于手写数字图像识别的准确率高达94.7%和93.6%，展示了其在神经形态计算领域的巨大潜力。

3.3 手指触摸实现铁电电阻切换

研究人员还发现，通过优化摩擦电单元设计，手指触摸也能引发铁电极化切换。他们用单电极模式摩擦电单元，手指触摸就能产生电压脉冲，使α-In₂Se₃忆阻器电阻变化，实现极化反转。这种方法所需压力极低，仅1-10千帕，比传统挠曲电方法小了5个数量级，为开发高灵敏度触觉感知器件提供了新思路。

四、研究总结与展望

这次研究成功用摩擦电效应实现了超低压，甚至是触觉触摸下的铁电极化机械切换，巧妙避开了挠曲电效应在器件应用中的限制。还构建了神经形态应力系统，实现了应力感知和存储功能，在图像识别方面表现出色。

五、一起来做做题吧

参考文献：

Baoyu Wang et al. Ultralow-pressure mechanical-motion switching of ferroelectric polarization. Sci. Adv.11, eadr5337(2025).