北理工团队在应变梯度工程研究中取得重要进展

2022-05-10 03:05

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先进功能材料中的多场耦合力学行为是近年来固体力学领域的研究热点。挠曲电效应是该领域内继压电效应后备受关注的一种新型的力电耦合效应，其指的是电介质材料在应变梯度作用下产生电极化的物理现象。

由于应变梯度随结构尺寸的降低而显著增强，使得挠曲电效应在微纳尺度下对材料的力、电、热、磁、光等物理力学性质具有重要的影响，并诱导出各种新颖的物理效应。除了应变梯度与电学量耦合产生的挠曲电效应，近年来出现了应变梯度与其他物理量的耦合效应，如挠曲磁效应、挠曲光伏效应、挠曲热释电效应等等（如图1所示），具有重要的应用前景。

图1. 应变梯度诱导的新奇多物理场耦合现象。

相比于挠曲电效应在材料电学耦合行为方面的研究，挠曲电效应对材料力学性质的影响仍缺乏深入的探索和理解，特别是对于微纳尺度下材料与结构的力学行为研究。有研究发现，挠曲电效应在铁电材料中经常诱导反常的非对称力学行为，如非对称压痕接触刚度与非对称裂纹扩展等现象，这对基于挠曲电效应的微机电系统的应用具有重要影响。然而，目前对于这些非对称力学性质的物理力学机制仍不清晰，影响了基于挠曲电效应的微电子器件应用。

近日，北京理工大学洪家旺教授团队在应变梯度工程研究中取得重要进展，发现了一种驱动铁电材料非对称力学性质的新物理机制——挠曲形变效应(Flexo-deformation effect)，相关成果以“Asymmetric Mechanical Properties in Ferroelectrics Driven by Flexo-deformation Effect”为题发表于固体力学领域的顶级期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上。博士生伦应焯为论文第一作者，方岱宁院士对该工作给予了指导。

针对上述科学问题，研究团队建立了基于挠曲电效应与压电效应力电耦合框架的理论模型，以自支撑铁电氧化物薄膜为研究对象，定量研究了弯曲铁电氧化物薄膜中的新奇弯胀弯缩行为（如图2所示），揭示了挠曲电效应和逆压电效应间强耦合作用在非对称弯曲力学行为中的关键作用，并发现该机制所诱导的的反常非对称弯曲刚度特性（即沿相反方向弯曲铁电材料其弯曲刚度不一样）。由此，进一步提出了一种普适性的物理力学机制——挠曲形变效应(Flexo-deformation effect)。该机制直观简洁的解释了前期铁电材料中的非对称力学行为，如非对称压痕接触刚度和非对称裂纹扩展现象。基于此，研究团队预测了铁电材料中可能存在的非对称扭转膨胀/收缩行为和非对称扭转刚度（如图3所示）。这些发现为深入研究铁电体非对称力学性质以及开发具有非对称力学功能特性的新型器件提供了科学依据。

图2. (a,b)铁电薄膜中依赖于自发极性取向的非对称弯曲厚度膨胀/收缩力学行为。(c) 依赖于薄膜弯曲曲率的厚度。(d) 非对称弯曲刚度的尺寸效应。

这项工作提出的挠曲形变效应(Flexo-deformation effect)，在团队前期针对应变梯度工程提出的挠曲扩散效应基础上(Nanoscale, 12, 15175 (2020))，研究了应变梯度与非对称力学性能之间的耦合效应，进一步丰富了先进材料中应变梯度多场耦合研究的物理蓝图(如图1所示)。