光重塑铁电薄膜：开启无线传感器与微型设备的未来

利用低能量光塑造微型设备铁电薄膜的潜力正在不断提升，国际研究团队最近成功实现了“光致应变”。

材料的光诱导非热变形，称为光致应变，能够将光子能量直接转化为机械运动，为无线光驱动传感器和光机械设备带来了令人兴奋的可能性，弗林德斯大学的研究员潘卡杰·夏尔马博士表示。

自上世纪60年代发现以来，科学家们在多种材料中探索光致应变，包括半导体、氧化物、铁电材料和聚合物。然而，这些系统面临着许多挑战。

“传统半导体响应较弱，铅基材料引发环境担忧，而某些光敏化合物则不稳定，”弗林德斯大学物理学高级讲师潘卡杰·夏尔马博士说，他是发表在ACS Nano上的新文章的第一作者和通讯作者。

这篇论文的标题是“BiFeO3中的巨光致伸缩和光调制的铁电性。”

“铁电材料是电学上的磁体，展现出潜力，但大多数仅限于紫外光，而在基底上生长的外延薄膜受到支撑的限制，”他补充道。

现在，研究团队在无约束的 BiFeO3 薄膜中展示了在可见光下的显著光致变形效应——一种多铁性材料。

BiFeO3，或称铋铁氧体，是一种在室温下表现出多铁性特性的材料，既具有铁电性，又具有反铁磁性。它的磁性和电性可以通过外部场来控制，使其成为新型电子和自旋电子设备的有前景材料，以及光催化和能量存储等应用。

这项新研究表明，这些通过低成本、可扩展的喷雾热解工艺制成的纳米结构薄膜，在极低的光学功率下展现出创纪录的光驱动应变效果。

“光能够精确控制这些薄膜的内部结构和电子反应，”来自弗林德斯大学科学与工程学院的沙尔马博士说。“这预示着未来，微型设备将完全由光来驱动和激活。”

弗林德斯大学的博士后研究员、这项研究的第一作者张浩泽博士补充说：“这些材料可能成为光控执行器、无线传感器和自供电光机械系统的基础。”

关键在于不受限制的纳米晶体BiFeO3薄膜，这些薄膜具有密集的畴壁网络——晶体内部原子级薄的边界。

“在照射下，这些墙壁有效地分离光诱导的电荷载体，而纳米晶体可以更自由地移动，产生强烈的电机械响应，”张博士解释道。

“由此产生的光致应变效应比块状BiFeO3晶体的应变高出多达五倍，与先进的卤化物钙钛矿相媲美，但没有它们的稳定性和毒性问题。”

团队通过调节光的波长和强度，展示了对压电和铁电特性的精细控制，建立了一个多功能、节能的纳米级设备平台。