特殊的鐵電特性為微電子和能源應(yīng)用提供了希望

當(dāng)魔術(shù)師突然從放滿盤子和眼鏡的桌子上扯下桌布時(shí)，觀眾開始懷疑舞臺上是否很快就會散落一地碎玻璃。直到現(xiàn)在，科學(xué)家們都面臨著類似的困境，他們使用特殊的電子氣泡來創(chuàng)造下一代柔性微電子和能量存儲設(shè)備。

美國能源部 (DOE) 阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種新方法，可以通過從特定底層材料或基板上剝離含有電氣泡的異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜，同時(shí)保留它們，來實(shí)現(xiàn)原子級版本的桌布技巧。完好無損。這一發(fā)現(xiàn)可能使我們更接近于依賴這些不尋常且脆弱的結(jié)構(gòu)的大量應(yīng)用程序。

“你可以把它想象成試圖從地基上拆除一座房子。通常，您會認(rèn)為房子會倒塌，但我們發(fā)現(xiàn)它保留了所有財(cái)產(chǎn)。”– Saidur Bakaul，阿貢材料科學(xué)家

“氣泡非常脆弱，最初需要特殊的底層材料，稱為基板，以及特定條件才能在其中生長薄膜，”阿貢材料科學(xué)家賽杜爾·巴考爾說。“有許多我們感興趣的材料，這些氣泡可能非常有用，比如塑料。但是，我們無法直接在這些材料上種植它們。我們的研究是使泡沫成為可能的第一步。”

在具有交替電特性的三層超薄結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了電氣泡：鐵電，然后是電介質(zhì)，然后又是鐵電。這種多層結(jié)構(gòu)中的氣泡由特殊排列的偶極子或?qū)\生電荷構(gòu)成。這些偶極子的方向基于材料中的局部應(yīng)變和表面上的電荷，這導(dǎo)致偶極子尋找其相對最低的能量狀態(tài)。最終，電氣泡(氣泡域)形成，但只有在滿足某些條件時(shí)才會形成。即使是很小的力，它們也很容易變形。

在實(shí)驗(yàn)中，Bakaul 在新南威爾士大學(xué)的同事首先在鈦酸鍶襯底上的超薄異質(zhì)結(jié)構(gòu)膜中生長氣泡，這是最容易在其上產(chǎn)生氣泡的材料之一。然后，Bakaul 面臨著從襯底去除異質(zhì)結(jié)構(gòu)同時(shí)保留氣泡的挑戰(zhàn)。“你可以把它想象成試圖從地基上拆除一座房子，”他說。“通常情況下，你會認(rèn)為房子會倒塌，但我們發(fā)現(xiàn)它保留了所有財(cái)產(chǎn)。”

氣泡域很小。它們的半徑只有大約 4 納米——與人類 DNA 鏈一樣寬。因此，它們很難被看到。在 Argonne 的材料科學(xué)部門，具有傅立葉變換分析的先進(jìn)掃描探針顯微鏡技術(shù)使科學(xué)家們不僅可以看到它們，還可以量化它們在獨(dú)立薄膜中的特性。

為了確定氣泡域保持完整，Bakaul 通過兩種顯微鏡技術(shù)測量了它們的電子(電容)和壓電特性：掃描微波阻抗顯微鏡和壓電響應(yīng)力顯微鏡。如果氣泡破裂，在施加電壓下電容會發(fā)生變化，但 Bakaul 發(fā)現(xiàn)它在相當(dāng)高的電壓下保持相對穩(wěn)定。

這些實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 Bakaul 和他的學(xué)生通過將原子模擬與電路理論相結(jié)合而開發(fā)的理論分析中獲得的電容數(shù)值估計(jì)。“實(shí)驗(yàn)和模擬的結(jié)合最終證明，即使從原始基板上移除，這些氣泡也能夠存活。這是我們長期以來一直希望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，”巴考爾說。

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