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原創丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
電致伸縮
水凍結成復雜的雪花圖案揭示了溫度對材料的影響。但溫度并不是唯一可以改變材料外觀和特性的外部參數：例如，雪球就是用手壓成的。一些材料的形狀可以通過將它們暴露在電場中進行修改，從而產生機電效應，可用于制造高精度移動物體的執行器和電機，這種現象稱為電致伸縮。
電致伸縮描述了絕緣材料在電場作用下應變的產生。在壓電學的背景下，材料的力學和電學性質之間的相互作用可能更清楚，其中電荷積聚在材料中響應機械應力。但是壓電性只存在于缺乏某些晶體學對稱性的材料中，并且它涉及應變與電場之間的線性關系。相比之下，在所有對稱性的晶體中，可能會產生電致伸縮，且應變隨著電場強度平方而增加。
關鍵問題
雖然電致伸縮產生機電效應具有廣泛的應用前景，但實際應用過程中仍存在以下問題：
1、對于大多數材料電致伸縮幅度較小
雖然許多材料表現出電致伸縮，但影響的幅度通常很小。因此，為了實現機電應用，必須通過材料設計來調整電致伸縮。
2、大電致伸縮系數的材料含有有毒的鉛成分
大多數具有大電致伸縮系數（量化效應的特性）的現有材料都含有有毒的鉛，因此顯示出明顯電致伸縮的無鉛化合物備受追捧。
新思路
有鑒于此，丹麥技術大學Haiwu Zhang等人報告了通過在NdGaO3襯底上具有原子控制界面的Gd2O3摻雜CeO2和 Er2O3穩定的δ-Bi2O3交替層外延沉積的工程電致伸縮效應。界面的數量被證明會影響材料的結構和電致伸縮特性。通過改變層的厚度，從而調整交替氧化物界面的數量，作者成功地實現了極大的電致伸縮系數。實現的電致伸縮系數值為2.38 × 10-14 m2 V-2，比最著名的弛豫鐵電體高出三個數量級。理論計算表明，這種大大增強的電致伸縮是由界面晶格不連續性賦予的相干應變引起的。這些人工異質結構為納米/微米驅動和尖端傳感器的電致伸縮材料和器件的設計和操作開辟了一條新途徑。
技術方案：
1、構建了具有原子控制界面的交替層外延沉積薄膜
作者使用脈沖激光沉積實現了超薄膜的制備。異質結構包含交替層的釓摻雜二氧化鈰（Ce0.8Gd0.2O1.9，CGO）和鉺穩定的氧化鉍（Er0.4Bi1.6O3，ESB）沉積在NdGaO3襯底上。
2、分析了沉積薄膜的異質結構特性
作者通過XRD、SEM等手段對異質結構進行了表征，證實了外延生長關系及氧化物之間的失配關系。
3、模擬計算證實了電致伸縮增強的關鍵因素
通過結構表征和分子動力學模擬的有力結合，表明成對的氧化物薄膜的厚度是增強電致伸縮的關鍵。
4、證實了電致伸縮的普遍性
作者將場致應變應用在具有不同缺陷氧化物結構中，同樣取得了令人驚喜的結果，證實了電致伸縮的普遍性。
圖 層狀氧化物結構中的非凡電致伸縮
技術優勢：
1、無鉛材料實現了電致伸縮系數提高了約1500倍
作者將含有釓和鈰的化合物以及一些基于鉍的材料氧化物設計為包含人工界面，增強了電致伸縮性。所得材料的電致伸縮系數大約是之前報道的這些氧化物的1500倍，比馳豫鐵電體提高3個數量級。
2、明確了增強電致伸縮的關鍵是成對的氧化物薄膜的厚度
通過結構表征和分子動力學模擬的有力結合，明確了成對的氧化物薄膜的厚度是增強電致伸縮的關鍵。厚度減小導致材料中的原子過程耦合機械和電學效應。
3、為界面誘導結構變化與超薄氧化物層中電偶極子的的相互作用提供關鍵見解
作者發現了厚度減小的薄膜中自由原子會扭曲材料局部結構，誘導應變產生。應變顯著影響電偶極子在外電場下定向排列。這些發現為細微的界面誘導結構變化與包含超薄氧化物層材料中電偶極子的行為之間的相互作用提供了關鍵見解。
4、證實了氧化物中原子級界面設計調節電致伸縮以實現先進機電功能的可行性
本工作的設計策略在其他材料中同樣適用，表明通過在氧化物材料中設計原子級界面來調節電致伸縮是制造具有先進機電功能的化合物的有前途的途徑。
技術細節
包含交替層異質結構的構建
使用脈沖激光沉積來沉積超薄膜。異質結構包含交替層的釓摻雜二氧化鈰（Ce0.8Gd0.2O1.9，CGO）和鉺穩定的氧化鉍（Er0.4Bi1.6O3，ESB）沉積在偽立方（pc）[010]取向的NdGaO3襯底上。異質結構定義為 NGO/CGO/[ESB/CGO]n，其中 n = 1, 3, 7, 10 和 15 是 [ESB/CGO] 雙層的數量。薄膜的總厚度固定在大約 17 nm，CGO:ESB 厚度比為 1:1。HAADF–STEM對比圖像顯示了組成層之間的外延關系，EDX剖面明確了界面的成分變化。作者展示了電致伸縮（Mxx）與調制長度（Λ）的火山關系。異質結構的最大Mxx (2.38×10-14 m2 V-2) 比厚CGO薄膜大三個數量級以上，在1 Hz下 1000次循環后仍保持機電活性，并且場致應力沒有退化。
圖 NGO/CGO/[ESB/CGO]n的多層結構和電致伸縮特性
結構特性分析
作者對異質結構進行了分析，表明異質結構的面內晶格參數相對于襯底是相干的，異質結構是沿（110）結晶方向取向的相純薄膜。證實了螢石氧化物與鈣鈦礦氧化物之間的外延關系。異質結構和襯底之間的晶格失配完全被彈性應變補償，在薄膜中產生1％的平均面內應變。
圖 NGO/CGO/[ESB/CGO]n的結構分析
作者使用原子尺度模擬來研究CGO/ESB 異質結構的結構演變作為Λ 的函數，取得了與實驗結果一致的現象。通過兩種不同的模型進一步評估了調制長度對電致伸縮的作用：（1）考慮彈性和電偶極子的現象學模型和（2）分子動力學模擬。結果表明，計算的Mxx隨著 ΔV/V的增加而迅速增加，這與增加晶格參數以將1/Λ增加到 0.5 nm-1的實驗觀察結果一致。進一步使用分子動力學模擬來研究Λ對電致伸縮的影響，證實場致應變呈現出火山狀形狀作為Λ的函數。
圖 層間相互作用的機制
電致伸縮的普遍性
作者進一步研究了場致應變作為具有不同缺陷氧化物結構（螢石、鈣鈦礦、石榴石和尖晶石）的Λ的函數。這些結果與類似火山的行為完全一致，表明界面工程是實現大電致伸縮的一種有前途的策略。
圖 增強電致伸縮機制
展望
總之，本工作表明可以通過人工異質結構設計和操縱電致伸縮效應。該框架為界面應變不連續性的作用提供了新的見解，可以進一步擴展到其他有缺陷的氧化物系統。這種應變調制導致離子遠離理想晶格位置的位移。提供了控制彈性偶極子強度及其重新定向能力所需的自由度，這是在超薄異質結構中實現大電致伸縮系數的關鍵原因。這些因素是用具有卓越、可靠和優化性能的環保無毒電致伸縮材料替代鉛基壓電材料（如商用 PMN-PT）的先決條件，使其適用于包括光通信在內的廣泛應用，生物醫學驅動和微傳感器。然而，以足夠大的規模實施這些結構以在商業上可行仍然具有挑戰性，特別是涉及材料及其界面的穩定性，因為作者發現氧化物界面處的化學混合（表明穩定性喪失）與電致伸縮降低同時發生。這種效應將與未來將電致伸縮結構集成到實際設備中特別相關。將這些多層化合物連接到其他材料將產生更多的界面，并且混合效應可能會帶來更多問題。
參考文獻：
David A. Egger. Interfaces boost response to electric fields in layered oxides. Nature 609, 680-681 (2022)
doi:10.1038/d41586-022-02948-6
https://doi.org/10.1038/d41586-022-02948-6
Zhang, H., Pryds, N., Park, DS. et al. Atomically engineered interfaces yield extraordinary electrostriction. Nature 609, 695-700 (2022).
DOI：10.1038/s41586-022-05073-6
https://doi.org/10.1038/s41586-022-05073-6
