综述：可持续的生物基表面活性剂：绿色化学与环境应用领域的进展

《Materials Today Communications》：Sustainable Bio-Based Surfactants: Advances in Green Chemistry and Environmental Applications

铁电薄膜通过底部SRO电极集成实现domain结构稳定与应变调谐，在柔性电子器件中具有应用潜力。

　　

戴丽云|谢宇彤|王博博|龙建梅|沈浩明|蒋鹏|钟向莉|钟高科

中国湖南省湘潭市湘潭大学材料科学与工程学院特种功能薄膜材料国家-省级实验室，邮编411105

摘要

独立铁电薄膜因其多样的功能性和优异的机械柔韧性，在柔性电子应用中具有巨大潜力。这些功能性与铁电畴的排列结构密切相关。然而，在制备独立铁电薄膜的过程中，由于机械和电边界条件的变化，畴结构往往变得不稳定，难以维持所需的畴排列。本文提出了一种底电极集成策略，以增强电荷屏蔽效果，并在薄膜脱离基底和发生弯曲变形后稳定其铁电畴结构。具体而言，在PbZr_0.2Ti_0.8O₃（PZT）薄膜下方引入了SrRuO₃（SRO）底电极，从而获得保持a/c多畴结构的独立PZT薄膜。此外，研究了不同弯曲应变对PZT/SRO异质结构中PZT薄膜畴结构可调性的影响。结果表明，适当的弯曲应变可以将平面（IP）极化的a畴从a₁/a₂畴结构调节为单一a畴状态。这种方法为优化独立铁电薄膜的性能并拓展其在柔性纳米电子学中的应用提供了宝贵的见解。

引言

独立铁电薄膜结合了多样的功能性和优异的机械柔韧性，使其成为柔性器件应用（如存储器、类脑计算、传感器等）的理想候选材料[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。值得注意的是，独立铁电薄膜的畴排列是其铁电性质及相关器件功能的基础[9]、[10]、[11]、[12]。例如，垂直于平面（OOP）的单畴结构具有高极化各向异性和低串扰，非常适合用于柔性高密度存储器件；而平面（IP）的多畴结构则具有更高的横向压电系数和更好的弯曲稳定性，更适合柔性传感器[13]、[14]、[15]、[16]。独立薄膜的出现为调控畴结构提供了新的平台，使研究人员能够克服传统基底的限制，通过范德华堆叠等创新方法以及施加各种外部场（包括机械应力场和电场）来精确操控铁电畴结构[17]、[18]、[19]。然而，获得具有稳定畴结构的独立铁电薄膜仍面临挑战[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，主要是由于薄膜内部的应力松弛和薄膜与基底分离过程中的表面电荷重新分布所致。这些因素可能导致畴结构偏离原始外延状态，从而影响器件性能[24]、[25]。

为解决这一问题，引入底电极支撑层不仅可以缓解应力松弛，还可以提供静电屏蔽作用，有助于维持铁电薄膜的自发极化[26]、[27]、[28]。例如，BaTiO₃（BTO）薄膜的铁电性能通常受到界面载荷效应和残余应力的限制，而BTO/SrRuO₃（BTO/SRO）复合结构能有效减少平面晶格松弛，从而提高剩余极化和饱和极化值[29]。本文提出的底电极集成策略可在薄膜脱离基底和发生弯曲变形后增强电荷屏蔽效果并稳定其铁电畴结构。具体而言，在PbZr_0.2Ti_0.8O₃（PZT）薄膜下方引入SRO底电极，获得保持a/c多畴结构的独立PZT薄膜。进一步研究了不同弯曲应变对PZT/SRO异质结构中PZT薄膜畴结构可调性的影响。结果表明，适当的弯曲应变可以将IP极化的a畴从a₁/a₂畴结构调节为单一a畴状态。这种方法为优化独立铁电薄膜的性能并拓展其在柔性纳米电子学中的应用提供了宝贵的见解。

结果与讨论

独立PZT薄膜采用牺牲层刻蚀方法制备，如图1(a)所示。首先，将制备好的PZT/Sr₃Al₂O₆/SrTiO₃（PZT/SAO/STO）异质结构浸入去离子水中，在室温下完全溶解牺牲层SAO。SAO层完全水解后，STO基底被剥离，而PZT薄膜由于浮力作用浮出水面[30]。

结论

本研究提出了一种底电极集成策略，以增强薄膜脱离基底和发生弯曲变形后的电荷屏蔽效果并稳定其铁电畴结构。具体而言，在PZT薄膜下方引入SRO底电极，获得保持a/c多畴结构的独立PZT薄膜。此外，研究了不同弯曲应变对PZT薄膜畴结构可调性的影响。

实验部分

薄膜沉积：使用脉冲激光沉积（PLD）系统在SrTiO₃（STO）（001）基底上沉积PbZr_0.2Ti_0.8O₃/Sr₃Al₂O₆（PZT/SAO）和PZT/SrRuO₃/SAO（PZT/SRO/SAO）薄膜，该系统配备248纳米波长的KrF准分子激光器。SAO层在120毫托的动态氧压下、750摄氏度下生长，激光能量为300毫焦耳，重复频率为10赫兹；SRO层在80毫托的动态氧压下、650摄氏度下生长，激光能量同样为300毫焦耳。

作者贡献

该项目由GK.Z和XL.Z构思和协调。样品制备、测量及分析工作由LYF.D、YT.X、JM.L和HM.S在GK.Z、XL.Z和P.J的指导下完成。LYF.D和YT.X撰写了手稿，所有作者均参与了讨论和分析。

CRediT作者贡献声明

蒋鹏：方法学研究、形式分析。沈浩明：实验研究、形式分析。钟高科：撰写－审稿与编辑、初稿撰写、监督、资源协调、项目管理、资金申请、概念构思。钟向莉：监督、资源协调、项目管理、资金申请。谢宇彤：初稿撰写、方法学研究、形式分析、数据整理。戴丽云：审稿与编辑、初稿撰写、方法学研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢中国国家重点研发计划（2022YFF0706100）、国家自然科学基金（62474186、52472139和12275230）、深圳市科技计划（JCYJ20240813155702004和RCYX20200714114733204）的支持。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。