北理工團隊在應變梯度工程研究中取得重要進展
發布日期：2022-04-25 供稿：宇航學院 攝影：宇航學院
編輯：趙亞康 審核：龍騰 閱讀次數：近日，北京理工大學方岱寧院士、洪家旺教授團隊在應變梯度工程研究中取得重要進展，發現了一種驅動鐵電材料非對稱力學性質的新物理機制——撓曲形變效應(Flexo-deformation effect)，相關成果以“Asymmetric Mechanical Properties in Ferroelectrics Driven by Flexo-deformation Effect”為題發表于固體力學領域的頂級期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》上。文章第一作者為博士生倫應焯。
先進功能材料中的多場耦合力學行為是近年來固體力學領域的研究熱點。撓曲電效應是該領域內繼壓電效應后備受關注的一種新型的力電耦合效應，其指的是電介質材料在應變梯度作用下產生電極化的物理現象。由于應變梯度隨結構尺寸的降低而顯著增強，使得撓曲電效應在微納尺度下對材料的力、電、熱、磁、光等物理力學性質具有重要的影響，并誘導出各種新穎的物理效應。除了應變梯度與電學量耦合產生的撓曲電效應，近年來出現了應變梯度與其他物理量的耦合效應，如撓曲磁效應、撓曲光伏效應、撓曲熱釋電效應等等（如圖1所示），具有重要的應用前景。
圖1. 應變梯度誘導的新奇多物理場耦合現象。
相比于撓曲電效應在材料電學耦合行為方面的研究，撓曲電效應對材料力學性質的影響仍缺乏深入的探索和理解，特別是對于微納尺度下材料與結構的力學行為研究。有研究發現，撓曲電效應在鐵電材料中經常誘導反常的非對稱力學行為，如非對稱壓痕接觸剛度與非對稱裂紋擴展等現象，這對基于撓曲電效應的微機電系統的應用具有重要影響。然而，目前對于這些非對稱力學性質的物理力學機制仍不清晰，影響了基于撓曲電效應的微電子器件應用。
針對上述科學問題，研究團隊建立了基于撓曲電效應與壓電效應力電耦合框架的理論模型，以自支撐鐵電氧化物薄膜為研究對象，定量研究了彎曲鐵電氧化物薄膜中的新奇彎脹彎縮行為（如圖2所示），揭示了撓曲電效應和逆壓電效應間強耦合作用在非對稱彎曲力學行為中的關鍵作用，并發現該機制所誘導的的反常非對稱彎曲剛度特性（即沿相反方向彎曲鐵電材料其彎曲剛度不一樣）。由此，進一步提出了一種普適性的物理力學機制——撓曲形變效應(Flexo-deformation effect)。該機制直觀簡潔的解釋了前期鐵電材料中的非對稱力學行為，如非對稱壓痕接觸剛度和非對稱裂紋擴展現象。基于此，研究團隊預測了鐵電材料中可能存在的非對稱扭轉膨脹/收縮行為和非對稱扭轉剛度（如圖3所示）。這些發現為深入研究鐵電體非對稱力學性質以及開發具有非對稱力學功能特性的新型器件提供了科學依據。
圖2. (a,b)鐵電薄膜中依賴于自發極性取向的非對稱彎曲厚度膨脹/收縮力學行為。(c) 依賴于薄膜彎曲曲率的厚度。(d) 非對稱彎曲剛度的尺寸效應。
這項工作提出的撓曲形變效應(Flexo-deformation effect)，在團隊前期針對應變梯度工程提出的撓曲擴散效應基礎上(Nanoscale, 12, 15175 (2020))，研究了應變梯度與非對稱力學性能之間的耦合效應，進一步豐富了先進材料中應變梯度多場耦合研究的物理藍圖(如圖1所示)。
圖3. 撓曲形變效應在鐵電體中誘導的(a,b)非對稱納米壓痕，(c,d) 非對稱裂紋擴展現象，以及預測的(e,f) 非對稱扭轉力學行為。
該研究工作得到了國家自然科學基金、北京市自然科學基金重點項目專項，以及北京理工大學研究生科技創新項目的資助。
全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022509622000965
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