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- 光重塑鐵電薄膜，為無線傳感器與微器件開辟新可能
- 來源：弗林德斯大學(xué) 發(fā)表于 2025/10/27
圖形摘要來源：《ACS 納米》（2025 年），DOI：10.1021/acsnano.5c05203
一支國際研究團(tuán)隊(duì)近期在 “光致伸縮” 技術(shù)上取得突破，進(jìn)一步推動(dòng)了利用低能量光制備微器件用鐵電薄膜的研究進(jìn)程，為相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展注入新動(dòng)力。
弗林德斯大學(xué)的潘卡吉夏爾馬博士表示：“材料的光致非熱形變（又稱光致伸縮）具有將光子能量直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢，為研發(fā)無線、光供能傳感器及光機(jī)械器件提供了極具吸引力的可能。”
自 20 世紀(jì) 60 年代光致伸縮現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家已在多種材料中對(duì)其展開研究，涵蓋半導(dǎo)體、氧化物、鐵電體及聚合物等。然而，這些材料體系大多面臨諸多挑戰(zhàn)。
“傳統(tǒng)半導(dǎo)體的光致伸縮響應(yīng)較弱，鉛基材料存在環(huán)境隱患，部分光敏化合物則穩(wěn)定性欠佳�！� 夏爾馬博士指出。他不僅是弗林德斯大學(xué)物理學(xué)高級(jí)講師，還是發(fā)表于《ACS 納米》期刊的最新研究論文的通訊作者及第一作者。該論文標(biāo)題為《BiFeO₃中的巨光致伸縮與光調(diào)制鐵電性》。
他補(bǔ)充道：“鐵電體作為磁性材料的電學(xué)類似物，雖頗具應(yīng)用潛力，但目前其光響應(yīng)大多局限于紫外光范圍；且在基底上生長的外延薄膜，性能還會(huì)受基底束縛的限制�！�
如今，該研究團(tuán)隊(duì)已在無束縛的 BiFeO（一種多鐵性材料）薄膜中，成功觀測到可見光照射下的顯著光致伸縮效應(yīng)。
BiFeO（即鐵酸鉍）是一種具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的無機(jī)化合物，屬于室溫多鐵性材料 —— 這意味著它同時(shí)具備鐵電性與反鐵磁性。其磁學(xué)和電學(xué)性能可通過外場調(diào)控的特性，使其在新型電子器件、自旋電子器件，以及光催化、儲(chǔ)能等應(yīng)用領(lǐng)域中極具潛力。
這項(xiàng)新研究表明，通過低成本、可規(guī)�；膰婌F熱解工藝制備的 BiFeO納米結(jié)構(gòu)薄膜，僅需極低的光功率，就能產(chǎn)生創(chuàng)紀(jì)錄的光驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。
“光可精準(zhǔn)調(diào)控這類薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電子響應(yīng)。” 來自弗林德斯大學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院的夏爾馬博士表示，“這預(yù)示著未來微器件有望完全依靠光實(shí)現(xiàn)供能與驅(qū)動(dòng)�！�
該研究的第一作者、弗林德斯大學(xué)博士后研究員張浩澤博士補(bǔ)充道：“這類材料有望成為光控驅(qū)動(dòng)器、無線傳感器及自供能光機(jī)械系統(tǒng)的核心基礎(chǔ)。”
實(shí)現(xiàn)這一突破的關(guān)鍵在于無束縛的 BiFeO納米晶薄膜 —— 這類薄膜內(nèi)部存在密集的疇壁網(wǎng)絡(luò)。疇壁是晶體內(nèi)部原子級(jí)厚度的邊界結(jié)構(gòu)。
張浩澤博士解釋道：“受光照射時(shí)，這些疇壁能高效分離光生載流子；同時(shí)，納米晶體可更自由地運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)電響應(yīng)�！�
“最終產(chǎn)生的光致伸縮效應(yīng)，強(qiáng)度可達(dá)體相 BiFeO晶體的 5 倍，與先進(jìn)鹵化物鈣鈦礦材料相當(dāng)，但不存在后者的穩(wěn)定性問題與毒性隱患�！�
研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控光的波長與強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)薄膜壓電性能和鐵電性能的精細(xì)控制，為研發(fā)高能效、多功能納米級(jí)器件搭建了靈活通用的平臺(tái)。
期刊信息：《ACS 納米》信息提供：弗林德斯大學(xué)
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