2018年11月期刊俱乐部:超越压电:固体中的柔性电

超越压电性:固体中的柔性电

Jiawang香港

北京理工大学航空航天工程学院

1.简介

压电现象描述了电极化与应变之间的线性耦合，在机械能与电能之间的能量传递中起着重要作用。然而，压电只存在于非中心对称材料中，目前应用最广泛的压电器件是铅基的，不环保。同时，当尺寸减小到临界尺寸以下时，压电性可能消失。研究一种新型的机电耦合效应，既能克服压电的这些缺点，又能有效地将机械能转化为电能，反之亦然，这就显得尤为重要。柔电，描述电与极化之间的线性耦合P_i和一个应变梯度\epsilon_{kl} (Eq. 1和图1)，就是这种新的机电耦合效应。

挠性电在50多年前就在理论上提出了[1]四年后被斯科特通过实验发现[２]和Bursianet al。［3］挠电效应由于其相对较弱的效应而被忽视了几十年。近年来，由于在弯曲测量中观察到比以往理论估计大3个数量级的高得多的弯曲电响应，引起了越来越多的关注。[4]极化从应变到应变梯度的变化耦合导致了压电性和挠性电的巨大差异:由于应变梯度破坏了材料的反演对称性，所有绝缘子都可以存在挠性电。这为机电应用提供了从简单硅到复杂钙钛矿的更多候选材料。此外，随着尺寸的减小，挠曲电效应会更加明显，纳米尺度应变梯度比块状材料增大6-7个数量级。［5］

图1。基于离子晶体的弯曲电效应示意图。[6]应变梯度诱导负电荷中心远离正电荷中心，引起中心对称材料的弯曲电极化。

2.纳米结构中弯曲电的新现象

由于纳米级的应变梯度要高得多，柔性电有望对纳米结构的性能产生重大影响。例如，转变温度，极化分布，磁滞曲线，畴壁和甚至是光学特性在纳米结构中，由于挠曲电的存在，会有显著的影响。(5、7 - 13)最近证明了偏振域可以用纯力学的方式来表示薄钡3.由于挠曲电(图2a)，提出了薄膜和高密度数据存储存储器。[14]PbTiO3薄膜的极化可以通过面内挠曲电进行旋转，从而增强薄膜的压电性(图2 b)。[15]有趣的是,柔性电可作为一种控制极化开关路径的新工具(图2c)。[16]利用原子力显微镜尖端的机械力分析了氧空位的分布。[17]由于弯曲电效应，它还可以通过石墨烯褶皱上的电荷浓度来操纵纳米级的分子排列。(18、19)挠性电能在纳米尺度上产生一些新的现象，提高纳米尺度上的性能，但有时也会削弱体性能。例如，弯曲电可以引起介电常数的降低(20、21)以及临界厚度的增加[22]在铁电薄膜中。幸运的是，这种影响可以通过施加适当的外部电场来消除。[23]

图2。(a)原子力显微镜针尖推异质结构表面所引起的应变梯度及相关屈曲电场示意图(箭头)和原子力显微镜针尖所写入的畴。[14](b)孪晶膜中的应力、应变梯度和极化矢量示意图。[8](c)由于尾随挠性电场跟踪SPM尖端运动而引起的极化开关原理图，以及静态和移动尖端下平面内挠性电分布的相场建模。[16]

3.描述挠性电系数

由于第四阶屈曲电系数张量\mu_{ijkl}是量化屈曲电效应的关键参数(等式1)，因此，为了理解复杂应变状态下的屈曲电效应，以及设计屈曲电器件，表征全张量分量至关重要。挠电系数(FEC)的表征一直是挠电领域研究的热点之一。

在实验中，通过动态弯曲光束诱导应变梯度并测量极化(电流)得到挠曲电系数(图3a)，该系数约为uC/m量级，比理论预测和第一性原理计算高3-4个量级。[28]然而，这些方法测量的是有效的挠性电系数，它是挠性电系数张量分量的组合。(29、30)单晶取向不同([100]、[110]及[111])被测量是为了得到单个张量分量，[29]但发现三种不同晶体取向光束的有效FEC相互线性依赖(方程2)，表明仅通过弯曲测量无法获得完整的FEC张量分量(29、30)即使对于只有三个独立FEC张量分量的立方对称材料(如SrTiO3)也是如此。其他方法，比如压缩截断的金字塔[4]，激波[31]或分离式霍普金森压棒［32］，以及纳米压痕[33]等近年来发展起来的FEC测量方法。然而，即使对于最简单的立方对称材料，仍然缺乏测量完整FEC张量分量的标准方法。上述方法都需要在动态机械载荷下测量电流，在纳米尺度上不方便。特别是在测量铁电材料电流时，很难区分压电性和挠性的贡献，说明有效挠性系数也可能包含压电性的贡献。一种解决方案是在超过固化温度的高温下进行测量，以避免体压电效应。然而，表面压电极区可以在远高于固化温度的情况下持续存在，对挠曲电仍有表面压电效应。[34]最近，有人提出了一种基于解析模型的纯力学方法，通过测量变截面纳米棒的刚度来获得FEC(图3b)，以避免采用动载荷和电流测量。[35]但是，这种方法还需要通过测量来验证。

图3。(a) FEC三点弯曲测量的设置。[29](b)纳米压缩法测量刚度以获得FEC。[35]

从理论上建立了刚性离子模型来计算FEC。36(28日)为了在模拟中应用应变梯度后保持周期性边界条件，提出了一个手风琴模型(图4)来计算纵向FEC分量[27]后来它被扩展到计算横向分量。(37、38)从理论和第一性原理计算来看，FEC是nC/m的阶数，[39]比实验值小3-4个数量级。这是挠性电子领域的一个长期难题。最近，一种微观理论发展起来，用来理解挠性电的起源，(39、40)表明挠曲电来自于纯电子的贡献以及电子与晶格畸变的耦合。有趣的是，本征FEC线性地依赖于介电常数，这与之前的实验观察相一致[4]并提供了一个简单的拇指规则来搜索高FEC材料。同时，该微观理论也部分解决了实验与理论之间较大的FEC差异:之前第一性原理计算的FEC值与实验使用了不同的电子边界条件(BC)。通常在短路BC(恒定电场)下进行测量，而在开路BC(恒定电位移场)下进行计算。微观理论认为，他们FEC的差异源于介电常数。[39]例如，BaTiO3单晶FEC为~2500 nC/m，[30]第一性原理为0.15 nC/m。[39]考虑到BaTiO3的BC和介电常数2300的不同，差异从4个数量级减小到7倍以内。如果是外部因素(如表面效应[41]，使实验值与理论值更接近。FEC理论是近年来发展较快的，计算方法也是近年来才开始实施的。(42-44)这可以有效地计算不同材料的完整FEC张量。

图4。计算周期应变梯度FEC的“手风琴”模型。[27]

4.柔性电在智能结构和设备

针对柔性电在智能材料和结构中的应用，十多年前建立了宏观柔性电理论框架。(45、46)B基于挠性电现象学理论，提出了设计用于能量收集的挠性电器件的许多解析模型。(47-52)例如，研究发现，在压电纳米结构中，挠性电可以极大地增强窄小尺寸范围内的能量收集［53］，为工程能量清除提供了一种方案。一些压电器件(图5a, 5b)为基础提出了弯曲电效应，并测量了它们的有效压电响应。(54-57)近年来，挠性电纳米发电机的概念被提出[58]这启发了一种新的能量收集技术。与压电材料相比，这种柔性纳米发电机可以通过特定的纳米结构提高性能，并提供更广泛的材料选择。[59]

所提出的柔性电结构具有良好的工作性能，但由于材料的组成相对复杂，相应的纳米结构的制备难度较大，实际应用的柔性电器件非常罕见。最近，一种纳米尺寸的挠性电悬臂作动器(图5c)已经被制造出来，其性能超过了最好的压电器件。[60]设计了柔性电应变梯度传感器，用于裂纹监测和裂纹开启模式应力强度因子的表征。[61]此外，基于双悬臂梁的振动特性，在传声器的设计中引入了柔性电，同时具有较高的灵敏度和较宽的工作频率范围。[62]随着柔性电表征和纳米结构制造技术的发展，在不久的将来，柔性电器件将被应用于能量采集、传感和驱动等领域。

图5。(a)基于横向弯曲电效应的弯曲模器件。[56、58](b)基于纵向挠曲电效应的压电复合材料。[57, 58](c)柔性电动悬臂执行机构。[60]

5.结束语

近几十年来，应变被广泛用于调节和提高器件性能，“应变工程”得到了很好的发展。[63]由于柔性电在纳米器件中表现出新颖的特性和广阔的应用前景，利用应变梯度诱导、调节和改善材料性能的“应变梯度工程”受到广泛关注。应变梯度除了可以与电极化耦合外，还可以与其他性质，如磁性、化学性质和光伏性质等耦合，从而产生一些新的现象，如柔磁(64 - 66), flexochemical(17、67、68)以及柔伏光伏效应[69]等。对于所有这些应变梯度耦合效应，从理论和实验两个方面表征不同应变梯度条件下的全耦合系数张量分量，以及建立相关材料参数的数据库是一个很大的挑战。这对于设计在复杂应变分布环境下工作的柔性器件至关重要。

引用:

[1]S. M. Kogan，苏联物理学-固态5， 2069(1964)。

[２]J. F.斯科特，化学物理杂志48， 874(1968)。

［3］E. V.布尔西安和宰科夫斯克。喂，苏联物理固体，苏联10， 1121(1968)。

[4]L. E.克罗斯，材料科学杂志41， 53(2006)。

［5］D. Lee, A. Yoon, S. Y. Jang, J. G. Yoon, J. S. Chung, M. Kim, J. F. Scott和T. W. Noh，《物理评论快报》107， 057602(2011)。

[6]R. Maranganti, N. D. Sharma和P. Sharma，《物理评论》B74(2006)。

[7]E. A. Eliseev, A. N. Morozovska, M. D. Glinchuk和R. Blinc，物理评论B79， 165433(2009)。

[8]g .加泰罗尼亚et al。《自然材料》10， 963(2011)。

[9]高平，杨树生，石川R.，李楠楠，冯B.，熊本A.，柴田N.，余P.，郁原Y.，物理评论快报120， 267601(2018)。

[10]P. V. Yudin, A. K. Tagantsev, E. A. Eliseev, A. N. Morozovska和N. Setter，物理评论B86， 134102(2012)。

[11]E. A. Eliseev, A. N. Morozovska, G. S. Svechnikov, P. Maksymovych和S. V. Kalinin，物理评论B85， 045312(2012)。

[12]傅晓武et al。《物理学前沿》8， 509(2013)。

[13]徐晓峰，蒋丽敏，周永春，智能材料与结构26， 115024(2017)。

[14]H. Lu, C. W. Bark, D. Esque de los Ojos, J. Alcala, C. B. Eom, G. catalalan, A. Gruverman, Science336， 59(2012)。

[15]R. Tararam, I. K. Bdikin, N. Panwar, J. A. Varela, P. R. Bueno，和A. L. Kholkin，应用物理杂志110， 052019(2011)。

[16]朴世明，王波，S. Das, S. C. Chae, J. S. Chung, J. G. Yoon，陈丽琪，杨世明，和T. W. Noh，自然纳米技术13， 366(2018)。

[17]美国达斯et al。《自然通讯》8， 615(2017)。

［１８］M. Kothari, M. H. Cha, K. S. Kim，皇家学会学报A474， 20180054(2018)。

[19]李荣荣，科塔里，兰道尔，m - h。Cha, H. Kwon, k - s。金女士3.， 2763(2018)。

[20]G. catalalan, B. Noheda, J. McAneney, L. J. Sinnamon和J. M. Gregg，物理评论72(2005)。

[21]G. catalalan, L. J. Sinnamon，和J. M. Gregg，物理杂志:凝聚态16， 2253(2004)。

[22]周海辉，洪建文，张永华，李凤霞，裴元明，方丹南，凝聚态物理407， 3377(2012)。

[23]周海辉，洪建文，张永华，李凤霞，裴永明，方东南，EPLl99， 47003(2012)。

[24]马文文，克罗斯，应用物理通讯79， 4420(2001)。

[25]马文宏和克罗斯，应用物理通讯78， 2920(2001)。

[26]马文宏和克罗斯，应用物理通讯81， 3440(2002)。

[27]J. Hong, G. catalalan, J. F. Scott，和E. Artacho，物理学杂志。凝聚态,22， 112201(2010)。

[28]A. K.塔甘采夫34， 5883(1986)。

[29]P. Zubko，物理评论快报99(2007)。

[30]J. Narvaez, S. Saremi, J. W. Hong, M. Stengel和G. catalalan，《物理评论快报》115， 037601(2015)。

[31]胡婷婷，邓青，梁晓平，沈淑萍，应用物理学报122， 055106(2017)。

［32］胡涛，邓问，沈s，应用物理通讯112， 242902(2018)。

[33]M. Gharbi, Z. H. Sun, P. Sharma, K. White，和S. El-Borgi，国际固体与结构杂志48， 249(2011)。

[34]A. ziebbizynska, D. Rytz, K. Szot, M. Górny，和K. Roleder，物理杂志:凝聚态20.， 142202(2008)。

[35]周海辉，裴元明，洪俊伟，方丹南，应用物理通讯108， 101908(2016)。

[36]R. Maranganti和P. Sharma，《物理评论》B80， 054109(2009)。

[37]徐涛，王俊，岛田，北村，凝聚态物理学报25， 415901(2013)。

[38]I. Ponomareva, A. K. Tagantsev和L. Bellaiche，物理评论B85， 104101(2012)。

[39]J. W. Hong和D. Vanderbilt，物理评论B88， 174107(2013)。

[40]M.斯坦格尔，物理评论88， 174106(2013)。

[41]张晓霞，潘强，田东，周文文，陈平，张宏，褚波，《物理评论快报》121， 057602(2018)。

[42]C. E.德雷尔，M.斯坦格尔，D.范德比尔特，《物理评论98(2018)。

[43]M. Stengell和D. Vanderbilt，物理评论B98， 125133(2018)。

[44]M.科塔里，m.h。Cha和k - s。金，皇家学会学报-数学、物理和工程科学474， 20180054(2018)。

[45]R. Maranganti, N. D. Sharma和P. Sharma，《物理评论》B74， 014110(2006)。

[46]沈淑萍，胡淑林，固体力学与物理学报58， 665(2010)。

[47]M. S. Majdoub, P. Sharma和T. Cagin，物理评论B77， 125424(2008)。

[48]梁晓霞，胡淑林，沈淑萍，智能材料与结构23， 035020(2014)。

[49]齐丽丽，周世杰，李安泉，复合材料结构135， 167(2016)。

[50]N. S.鲁帕和M. C.雷，国际力学和材料设计杂志13， 453(2017)。

[51]齐林，黄寿，傅国强，周寿，蒋晓霞，国际工程学报124， 1(2018)。

[52]邓问，沈生，智能材料与结构27(2018)。

［53］M. S. Majdoub, P. Sharma和T. Cagin，物理评论B78， 121407(2008)。

[54]J.福塞克，L. E.克罗斯，D. B.利特文，《材料快报》39， 287(1999)。

[55]傅金银，朱文银，李楠楠，克洛斯，应用物理学报One hundred.， 024112(2006)。

[56]朱文银，朱宝杰，李楠楠，应用物理学报106， 104109(2009)。

[57]傅金银，朱文银，李楠楠，史密斯，L. E. Cross，应用物理通讯91， 182910(2007)。

[58]蒋晓楠，黄文波，张淑娟，纳米能源2， 1079(2013)。

[59]王志林，宋杰，科学312， 242(2006)。

[60]uk . Bhaskar, N. Banerjee, A. Abdollahi, Z. Wang, d.g. Schlom, G. Rijnders，和G. Catalan，自然纳米技术11， 263(2016)。

[61]黄文波，杨淑荣，张宁银，袁凤光，蒋晓楠，实验力学55， 313(2015)。

[62]权善仁，黄文波，张淑娟，袁凤光，蒋晓楠，微力学与微工程学报26， 045001(2016)。

[63]李俊杰，单志山，马娥，布兰太太39， 108(2014)。

[64]E. A. Eliseev, M. D. Glinchuk, V. Khist, V. V. Skorokhod, R. Blinc和A. N. Morozovska，物理评论B84， 174112(2011)。

[65]P. Lukashev和R. F. Sabirianov，物理评论B82， 094417(2010)。

[66]李俊宏et al。《物理评论B》96， 064402(2017)。

[67]d .李et al。先进材料26， 5005(2014)。

[68]E. A. Eliseev, I. S. Vorotiahin, Y. M. Fomichov, M. D. Glinchuk, S. V. Kalinin, Y. A. Genenko和A. N. Morozovska，物理评论B97(2018)。

[69]杨敏敏，d.j.金，和M. Alexe，科学360， 904(2018)。